DE19536973C2 - Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse - Google Patents
Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere OmnibusseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisie
rungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse.
Eine weitverbreitete Bauweise besteht darin, daß in
beidseitigen Dachkanälen eines Reiseomnibusses oder auch bei
anderen Nutzfahrzeugen sonst im Dachbereich, gegebenenfalls
oberhalb einer Fahrerkabine, Verdampfer angeordnet sind, durch
deren meist lamellenförmige Verrippung zur Kühlung einer Pas
sagierzelle eines Reiseomnibusses oder zur Kühlung eines son
stigen Nutzraums eines Nutzfahrzeugs dienende Frischluft oder
Umluft unter Abkühlung geblasen wird. Verdichtereinrichtung
sowie Verflüssigereinrichtung des Kältemittelkreislaufs werden
bei dieser Bauart in einem Stauraum am Heck des Nutzfahrzeugs,
meist im Unterflurbereich im Motorraum, angeordnet, wobei über
lange Distanz vom Stauraum zu den Verdampfern Kältemittellei
tungen geführt sind. Dies führt zu einer ganzen Reihe negati
ver Effekte, wie relativ hohem Bedarf an Kältemittel, Druck
verlust in den langen Leitungen, erhebliche Abdichtungsarbei
ten und trotzdem häufig Leckagegefahr, Eintritt von Wasser
dampf durch die langen Verbindungsleitungen zwischen Stauraum
und Verdampfer mit der Gefahr einer Verringerung des Wirkungs
grades sowie einer Verschlechterung der Schmierung des jeweils
eingesetzten Verdichters unter Verseifung bis zum Ausfall so
wie der Unmöglichkeit, den Kältemittelkreislauf in Vorferti
gung zu montieren und mit Kältemittel vorzufüllen.
In der DE 38 03 439 A1 wird eine Klimatisierungsanord
nung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der solche Nach
teile behoben werden sollen. Die Erfindung geht im Oberbegriff
von Anspruch 1 von dieser vorbeschriebenen Klimatisierungsan
ordnung aus. Sie ist dadurch ausgezeichnet, daß alle aktiven
Teile des Kältemittelkreislaufs außerhalb des Nutzraums des
Kraftfahrzeugs anordbar sind und eine sekundäre Wärmeübertra
gung zu einem Wasser/Luft-Wärmetauscher erfolgt, der an die
Stelle der Verdampfer des vorbeschriebenen üblichen Systems
tritt und den zu klimatisierenden Raum durch entsprechende
Luftabkühlung kühl hält. Dies stellt bereits einen Schritt in
einer richtigen Richtung dar, um die angesprochenen Nachteile
der konventionellen Anordnung zu beheben, da der außerhalb des
Nutzraums anordbare Kältemittelkreislauf mit kürzeren Lei
tungsverbindungen auslegbar ist. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß eine Klimatisierungsanordnung dieser Art schon deshalb
nicht praxisgerecht ist, weil die Zeit bis zum Ansprechen
einer Fahrzeugkühlung außerordentlich lang ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vor
teile der letztgenannten bekannten Klimatisierungsanordnung
voll nutzbar zu machen und diese dabei auch bezüglich der An
sprechgeschwindigkeit so zu verbessern, daß sie mit konventio
nellen sonstigen Klimatisierungsanordnungen der erstgenannten
Art voll wettbewerbsfähig ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Klimatisierungsanordnung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die
kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Der Oberbe
griff von Anspruch 1 geht dabei, wie erwähnt, von der DE 38 03
439 A1 aus. Solche Merkmale im Oberbegriff, die von der Erfin
dung gemäß Anspruch 1 nicht betroffen sind, sind dabei nur fa
kultativ mit "insbesondere" aufgeführt und sind zum Teil von
Unteransprüchen betroffen.
Bei gleicher Drehrichtung des Hilfsmotors kann über
eine geeignete Schaltung von Ventilen im Kältemittelkreislauf
eine Umkehr des Kältemittelkreislaufs bewirkt werden, so daß
dieser je nach Strömungsrichtung als kälteerzeugender Kreis
lauf oder als wärmeerzeugende Wärmepumpe wirksam werden kann.
Es ist dabei denkbar, den Hilfsmotor nur für die Stillstands
zeit des Fahrzeugantriebsmotors einzusetzen, der bei Betrieb
seinerseits für den Antrieb der Verdichtereinrichtung nutzbar
gemacht werden kann. Wenn man aber einmal einen Hilfsmotor
hat, sind Antriebsverbindung des Verdichters zum Fahrzeugmotor
an sich entbehrlich, so daß dann die Verdichtereinrichtung
ausschließlich durch den Hilfsmotor unter Optimierung der Be
triebsbedingung betreibbar ist. In jedem Fall kann man den
Nutzraum des Nutzfahrzeugs schon im Stand vorklimatisieren, so
daß gar keine Ansprechträgheit im Sinne der Aufgabenstellung
der Erfindung mehr besteht.
Bei Strömungsumkehr in einem Kältemittelkreislauf
stellt sich ferner das Problem, daß aktive Elemente wie die
Wärmetauscher, im Kältebetrieb die Kältemittel/Wasser-Wärme
tauscheinrichtung und der Verflüssiger, eingangs- und aus
gangsseitig mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten ge
staltet sind, die in Strömungsrichtung dem Übergang von der
flüssigen in die gasförmige Phase (Verdampfer) oder umgekehrt
(Verflüssiger) entsprechen, bei Strömungsumkehr im betreffen
den Wärmetauscher jedoch dort die Strömung behindern und auf
stauen. Konventionell wird für diesen Fall ein Bypass geöff
net, der sonst geschlossen ist. Die Lösung gemäß der Erfindung
mit Richtungskonstanz der Durchströmung der Wärmetauscher bie
tet hierzu eine schaltungsmäßige Alternative. Diese wird dann
besonders günstig, wenn im Sinne von Anspruch 13 eine Fixdros
sel, vorzugsweise eine Ejektordüse, so vor dem Sammler ange
ordnet ist, daß den Wärmetauschern das Kältemittel unabhängig
von der Betriebsart als Kühl- oder Heizeinrichtung stets ein
phasig und richtungskonstant zugeführt wird. Dann kann man un
abhängig von den Ventilschaltungsmaßnahmen den betreffenden
Wärmetauscher besonders einfach und kostengünstig ausführen.
Die Richtungskonstanz in der Saugleitung des Kälte
mittelsammlers, die mit der vorherbeschriebenen Richtungskon
stanz in den Wärmetauschern kombiniert wird, führt zu rich
tungskonstanter Kältemittelzuführung zum Verdichter. Dabei
wird das bei bekannten Schaltungen bestehende Risiko vermie
den, daß es bei Strömungsumkehr zu Flüssigkeitsschlägen in der
Saugleitung im Verdichter kommt.
Bei der bekannten Anordnung ist ferner die Langsam
keit des Ansprechens der Kühlung dadurch bestimmt, daß der
Kältemittelkreislauf erst in Betrieb genommen wird, wenn Kühl
bedarf besteht und dabei der Gesamtinhalt des Wärmeträger
kreislaufs an Wasser abgekühlt werden muß, was zu der ange
sprochenen großen Trägheit führt.
Grundgedanke der Erfindung gemäß der ersten Variante
nach den Ansprüchen 2 bis 5 einerseits und der zweiten Vari
ante gemäß den Ansprüchen 6 bis 10 andererseits ist demgegen
über, mit dem Kühlvorgang bereits vor Beginn der gewünschten
Abkühlung zu starten und in der dadurch gewonnenen Vorlaufzeit
bereits Kühlenergie zu speichern, die dann bei Bedarf der
Kühlleistung mit abgerufen werden kann. Hierzu sieht die erste
Variante vor, bereits einen Großteil des als Wärmeträger die
nenden Wassers in einem inneren Kreislauf vorzukühlen und in
einem Wasserspeicher zur Einspeisung in einen äußeren Wärme
trägerkreislauf bereitzustellen, so daß diese bereitgestellte
Wassermenge bereits in der Anfangsphase der gewünschten Küh
lung wirksam zur Verfügung steht und die noch nicht abgekühlte
Wassermenge im äußeren Wärmeträgerkreislauf schnell verdrängen
kann. Bei der zweiten Variante wird die Kälte nicht in Gestalt
einer gespeicherten Wassermenge bereitgestellt, sondern durch
Vorkühlung einer eine Phasenumkehr durchlaufenden Masse, die
ihrerseits die zur Kühlung dienende Wärmemenge schnell abgeben
kann. Die erste und die zweite Variante betreffen dabei eine
im Grundsatz gleiche Idee, bei der jedoch im Bereich eines in
Wasser gespeisten Wärmeträgerkreislauf für den Betrieb bei der
ersten Variante eine direkte und bei der zweiten Variante eine
indirekte Wärmeträgerkopplung vorgesehen ist.
Jeder auf Wasser beruhende Wärmeträgerkreislauf hat
auch unabhängig von der Anordnung eines besonderen Speichervo
lumens eine eigene Speicherkapazität entsprechend dem inneren
Volumen des Kreislaufes. Der bei der ersten Variante gewählte
Wert der spezifischen Wärmekapazität, die durch die Anordnung
eines zusätzlichen Speichervolumens gewonnen werden kann,
liegt deutlich über den konventionellen Werten von Wärmeträ
gerkreisläufen bei Klimatisierungsanordnungen der hier in
Frage stehenden Art ohne das zusätzliche Speichervolumen. An
stelle des Wertes von 10 Wh/K kann man je nach den Einbaube
dingungen im Nutzfahrzeug vorzugsweise auch Schwellwerte des
Zweifachen, Dreifachen, Vierfachen oder Fünffachen des angege
benen Schwellwerts von 10 Wh/K einsetzen. Diese angegebenen
höheren Werte sind stufenweise bevorzugt bzw. noch mehr bevor
zugt.
Die Ansprüche 3 und 4 betreffen zwei alternative oder
auch gemeinsam anwendbare Betriebsweisen des inneren und des
äußeren Kreislaufs des Wärmeträgermediums. So kann man nach
der einen Alternative den inneren und den äußeren Kreislauf
gesondert betreiben, um beispielsweise bei der Bereitstellung
der Kühlenergie im inneren Kreislauf den äußeren Kreislauf für
andere Zwecke zu benutzen, wie etwa für Heizungszwecke. Hierzu
kommuniziert der Wärmeträgerkreislauf zweckmäßig in abschalt
barer Weise mit dem Kühlkreislauf eines wassergekühlten An
triebsmotors des Nutzfahrzeugs, so daß auch der Wärmeträger
dann üblicherweise gleich ist, d. h. im allgemeinen eine Mi
schung aus Wasser und Glykol. Die andere Variante bezieht die
Möglichkeit ein, den äußeren Kreislauf gegebenenfalls bei der
Bereitstellung von Kälteenergie im inneren Kreislauf totzule
gen und erst unter Erweiterung der Durchströmung aus dem inne
ren Kreislauf auch noch in den äußeren Kreislauf für die ei
gentliche Kühlung des Nutzfahrzeugs mit einzubeziehen.
Anspruch 5 beschreibt bevorzugte Einbaubedingungen
der ersten Variante, bei der nicht nur der Kältemittelkreis
lauf, sondern auch der innere Kreislauf des Wärmeträgerkreis
laufs zu einer im Stauraum des Nutzfahrzeugs einsetzbaren Bau
einheit zusammengefaßt sind. Gegebenenfalls kann man aber auch
den ja umwelttechnisch nicht kritischen inneren Kreislauf noch
bis in Nutzbereiche des Nutzfahrzeugs hin führen.
Die Ansprüche 7 bis 10 beschreiben bevorzugte Ausge
staltungen des Kältespeichers und seiner phasenumwandelnden
Masse.
Bei Nutzfahrzeugen und insbesondere Omnibussen hat
man bisher als Verdichtereinrichtungen typischerweise einen
einzigen leistungsstarken und relativ großen Verdichter einge
setzt, zumal im Stauraum für seinen Einbau hinreichend Platz
ist. Derartige Verdichter sind jedoch schon wegen ihrer rela
tiv kleinen Stückzahl sehr teuer. Die Erfindung sieht demge
genüber in Weiterbildung vor, daß die Verdichtereinrichtung
mehrere Verdichter aufweist, die alle von dem Antriebsmotor
antreibbar sind. Dann kann man statt des einen Verdichters
mehrere Verdichter kleinerer Dimensionierung und Leistung ein
setzen, wie sie relativ preiswert als Verdichter für Personen
kraftwagen zur Verfügung stehen. Es hat sich gezeigt, daß die
Aufteilung der Verdichterleistung auf mehrere derartige klei
nere Verdichter eine deutliche Kosteneinsparung bedeutet und
auch eine bessere Anpassung an Raumverhältnisse bedeuten kann.
Zusätzlich kann man in bevorzugter Weise die Verdichter ein
zeln in den Kreislauf zuschalten und so bedarfsweise die Kühl
leistung stufenweise schalten.
Alle diese einzelnen Verdichter können wie im bekann
ten Fall der einzige Verdichter von dem Antriebsmotor des
Kraftfahrzeuges in Direktkupplung oder über eine Riementrans
mission angetrieben sein. Zusätzlich kann man in entsprechen
der Ankopplung auch noch die Ventilatoreinrichtung für die
Luftkühlung des Verflüssigers des Kältemittelkreislaufs von
dem Antriebsmotor direkt oder indirekt antreibbar anordnen.
Wenn man ferner einen Plattenverdampfer mit relativ
großer wirksamer Fläche mit einer Kältemitteldrosselung über
eine vorzugsweise als Ejektordüse wirkende Fixdrossel koppelt,
kann man die Verdampferleistung durch optimale Flächenbeauf
schlagung mit flüssigem Kältemittel in die Nähe des theoreti
schen Maximums steigern und so im Vergleich mit bekannten Ver
dampferbauarten eine im ganzen schmalere Bauweise erhalten.
Alle diese Maßnahmen sind von besonderer Bedeutung,
wenn man eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Klimatisierungsanordnung als Einbaueinheit gemäß den Ansprü
chen 14 und 15 vorsieht. Da diese besonders raumsparend ge
staltet werden kann, besteht sogar gemäß Anspruch 16 auch noch
raummäßig die Möglichkeit, in die Einbaueinheit auch noch eine
konventionelle Zusatzstandheizung mit einzubeziehen.
Zu dieser Verwendung einer konventionellen Zusatz
standheizung bietet die Erfindung gemäß Anspruch 1 auch unter
Ausnutzung der schon vorhandenen Komponenten in der Einbauein
heit eine Alternative unter Verwendung lediglich eines zusätz
lichen Hilfsmotors innerhalb der Einbaueinheit, welcher bei
geeigneter Schaltung eine Umkehr des Kältemittelkreislaufs be
wirken kann, so daß dieser je nach Strömungsrichtung als käl
teerzeugender Kreislauf oder als wärmeerzeugende Wärmepumpe
wirksam werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Reiseomnibusses mit
betonter Herauszeichnung wirksamer Komponenten;
Fig. 2 eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf
die Anordnung in der Motorkammer bzw. Staukammer im Heck des
Reisebusses unter Flur, insbesondere unter Bezug auf den in
verschiedenen Varianten der Erfindung gemeinsamen Kältemittel
kreislauf;
Fig. 3 eine schaltungsmäßige Gesamtansicht der Kli
matisierungsanordnung mit Einbeziehung einer Variante, wobei
eine weitere Variante in Fig. 4 in Teilansicht dargestellt
ist; sowie die
Fig. 5 und 6 den Kältemittelkreislauf mit Strö
mungsumkehr, wobei Fig. 5 die Betriebsweise als Wärmepumpe und
Fig. 6 die Betriebsweise zur Kälteerzeugung beschreibt.
Fig. 1 zeigt einen Reisebus in Seitenansicht mit
schematischer Darstellung der erfindungsgemäßen Klimatisie
rungsanordnung. Bei solchen Reisebussen sind in Längser
streckung zu beiden Seiten des Daches Dachkanäle 62 vorhan
den. In den Dachkanälen selbst bzw. auf dem Dach sind Geräte
zur Klimatisierung des Nutzraumes 10 eingebaut, die neben Ein
richtungen zur Filterung, Förderung und Lenkung der Luft
auch einen Wärmetauscher beinhalten, durch den die Umluft
bzw. Frischluft abgekühlt wird, wobei die abgekühlte Luft
über die Dachkanäle im Nutzraum 10 des Busses verteilt wird.
Bei Klimatisierungsgeräten nach dem Stand der Tech
nik ist zusätzlich in den meisten Fällen noch ein Heizungs
wärmetauscher zur Beheizung der Luft vorgesehen, während bei
der erfindungsgemäßen Klimatisierungsanordnung lediglich eine
Wasser/Luft-Wärmetauscheinrichtung vorgesehen ist, die je
nach Temperatur des Wärmeträgerkreislaufes 2 die durchtre
tende Klimatisierungsluft entweder aufheizt oder abkühlt.
Die Konditionierung des Wärmeträgerkreislaufes 2
erfolgt in einer kompakten Einbaueinheit 22, die in einem
Stauraum am Heck des Busses meist im Unterflurbereich über
dem Motorraum angeordnet ist, so daß gemäß Fig. 2 ein direk
ter Antrieb sowohl der Ventilatoreinrichtung 32 als auch der
Verdichtereinrichtung 18 vom in Fig. 2 nicht dargestellten
Antriebsmotor 60 mittels Transmissionsriemenantrieb 64 erfol
gen kann.
Der Transmissionsriemen 64 treibt dabei zunächst
über eine Keilriemenscheibe 66, die den Antriebsanschluß 44
der Einbaueinheit 22 an den Antriebsmotor 60 bildet, eine
Welle 68 an auf der die Ventilatoreinrichtung 32 und eine
weitere Keilriemenscheibe 70 montiert ist.
Von der Keilriemenscheibe 70 wird dann ebenfalls
per Transmissionsriemenantrieb 64 die Verdichtereinrichtung
18 über eine weitere Keilriemenscheibe angetrieben.
Zur Regelung der Kälteleistung kann die Keilriemen
scheibe 66 mit einer Magnetkupplung zur Ein- und Ausschaltung
des Verdichterantriebs versehen sein.
Auf der Welle 68 können auch mehrere Keilriemen
scheiben 70 zum Antrieb mehrerer Verdichter 30 einer Verdich
tereinrichtung 18 angeordnet sein. Zur besseren Leistungsre
gulierung ist es dann sinnvoll, die Keilriemenscheiben 70 zum
Antrieb der Einzelverdichter 30 ebenfalls mit einer Magnet
kupplung zu versehen, die ein temperaturabhängiges Zu- und
Abschalten der Verdichter ermöglicht.
Aufgrund der üblichen Einbaulage des Antriebsmotors
60 ist eine Einbaulage der Einbaueinheit 22 im Heck des Rei
sebusses direkt neben dem Antriebsmotor 60 sinnvoll, wobei
zur Ermöglichung eines minimalen Antriebsaufwandes die Achsen
des Antriebsmotors 60 sowie die Achse der Welle 68 nahezu
fluchten sollten.
Aus der Achslage der Welle 68 ergibt sich auch die
Einbaulage der Ventilatoreinrichtung 32, die entweder wie in
Fig. 2 am in Fahrtrichtung hinteren Ende der Einbaueinheit 22
oder in Verlängerung der Welle 68 in nicht dargestellter
Weise auch am in Fahrtrichtung vorderen Ende der Einbauein
heit 22 angeordnet sein kann.
In Fig. 2 ist weiterhin eine mögliche Anordnung der
Kältemittelkreislaufkomponenten dargestellt, während der Wär
meträgerkreislauf 2 bis auf die wasserseitigen Anschlüsse am
Plattenverdampfer 36 der Einfachheit halber weggelassen
wurde.
Bei dem Kältemittelkreislauf in Fig. 2 handelt es
sich um einen im Bus üblichen Kältemittelkreislauf, bei dem
das Kältemittel vom Verdichter 30 über die Heißgasleitung 72
dem Verflüssiger 34 zugeführt wird, den das Kältemittel nach
Verflüssigung durch die Flüssigkeitsleitung 74 wieder ver
läßt. Im Sammler 76 erfolgt die Gasabsonderung und Flüssig
keitsspeicherung sowie bei Einbau einer Trocknerpatrone auch
die Trocknung des Kältemittels.
Aus dem Sammler 76 tritt das Kältemittel über das
Expansionsventil 78 in den Plattenverdampfer 36 ein, in dem
es durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgerkreislauf 2
verdampft und als Gas über die Saugleitung 80 vom Verdichter
30 wieder angesaugt wird.
Die Kühlung bzw. Verflüssigung des Kältemittels im
Verflüssiger 34 erfolgt durch Umgebungsluft, die über eine
Öffnung 82 in der Busaußenwand 84 von der Ventilatoreinrich
tung 32 angesaugt und über eine Austrittsöffnung 86 wieder
entgegen der Fahrtrichtung ausgeblasen wird.
Durch die Anordnung des kompletten Kältemittel
kreislaufes 16 in der Einbaueinheit 22 reicht für die Versor
gung der im Dachkanal 62 angeordneten Klimatisierungsanord
nung die Verlegung von Wasserleitungen eines Wärmeträger
kreislaufes 2 aus, die im Heck des Busses zunächst vertikal
nach oben und dann in den Dachkanälen 62 bis zur Wasser/Luft-
Wärmetauscheinrichtung 8 geführt werden.
Um die Ansprechgeschwindigkeit der Klimatisierungs
anordnung zu verbessern wird gem. Fig. 3 der Wärmeträger
kreislauf 2 in einen äußeren und einen inneren Wärmeträger
kreislauf 4, 6 aufgeteilt.
Dabei kann das Wasser durch jeweils eine Pumpe 54
sowohl im inneren Wärmeträgerkreislauf 6 als auch im äußeren
Wärmeträgerkreislauf 4 unabhängig voneinander zirkulieren.
Die als Ladepumpe im inneren Wärmeträgerkreislauf 6
eingebaute Pumpe 54 ist zumindest solange in Betrieb, bis das
Wasser im inneren Kreislauf 6 die in der Regelung vorgegebene
Sollwerttemperatur von z. B. -10°C erreicht hat. Je nach Käl
teanforderung, die z. B. über Luftaustrittsfühler der Was
ser/Luft-Wärmetauscheinrichtung über eine Regelung festgelegt
wird, läßt die Stellung des Dreiwege-Mischventils 88 einen
Austritt von 0 bis 100% des Wassers aus dem inneren Wärmeträ
gerkreislauf 6 in den äußeren Wärmekreislauf 4 zu.
Bei Kälteanforderung null wird das Wasser im inne
ren Wärmeträgerkreislauf 6 durch die Pumpe 54 über den Plat
tenverdampfer 36 und den Wasserspeicher 20 sowie das Drei
wege-Mischventil 88 im Umlauf getrieben, wobei der Verdichter
30 so lange in Betrieb ist, bis die geforderte Schalttempera
tur des Wassers im inneren Kreislauf 6 erreicht ist.
Ist die Kälte- bzw. die Wärmeanforderung null, so
wird auch im äußeren Wärmeträgerkreislauf 4 das Wasser von
der Pumpe 54 über das in diesem Regelzustand voll offene Mo
torventil 90 im Kreislauf geführt.
Bei Anforderung von Kälteleistung wird einerseits
das Motorventil 90 geschlossen und andererseits das Dreiwege-
Mischventil für den Durchtritt vom inneren in den äußeren
Wärmeträgerkreislauf geöffnet, so daß unmittelbar das im in
neren Wärmeträgerkreislauf 6 und insbesondere im Wasserspei
cher 20 enthaltene abgekühlte Wasser in den äußeren Wärmeträ
gerkreislauf 4 eintreten kann, und dort in der Wasser/Luft-
Wärmetauscheinrichtung eine schnelle Abkühlung der Klimati
sierungsluft ermöglicht.
Bei Anforderung von Heizleistung wird analog zur
Kühlleistungsanforderung ebenfalls das Motorventil 90 ge
schlossen und gleichzeitig das Motorventil 92 geöffnet, das
Kühlwasser aus dem Wasserkühlungskreislauf 12 in den äußeren
Wärmeträgerkreislauf 4 strömen läßt.
Im Regelfall werden die Motorventile 90 und 92 bei
Anforderung von Heizleistung jeweils gegenläufig geschlossen
bzw. geöffnet. Das gleiche gilt bei Anforderung von Kältelei
stung für das Motorventil 90 und das Dreiwege-Mischventil 88.
Das über den eingangsseitigen Anschluß 122 in den Wärmeträ
gerkreislauf 2 eintretende Kühlwasser (im Heizfall) bzw. das
abgekühlte Wasser des inneren Wärmeträgerkreislaufes 6 wird
zusammen mit dem über das Motorventil 90 beigemischten Rück
laufwasser in der Zulaufleitung 94 des äußeren Wärmeträger
kreislaufes 4 von der im Heck des Busses positionierten Ein
baueinheit 22 bis zur Wasser/Luft-Wärmetauscheinrichtung 8 im
Dachkanal 62 des Busses geführt und heizt bzw. kühlt je nach
Temperatur, die durch die Wasser/Luft-Wärmetauschereinrich
tung 8 geführte Klimatisierungsluft. Über die Rücklaufleitung
96 des äußeren Wärmeträgerkreislaufes 4 wird das Wasser von
der Wärmetauscheinrichtung 8 zum ausgangsseitigen Anschluß 48
des äußeren Wärmeträgerkreislaufes 4 geführt und strömt je
nach Wärme- bzw. Kälteanforderung in den inneren Wärmeträger
kreislauf 6 bzw. in den Wasserkühlkreislauf 12 oder wird über
das Motorventil 90 und die Pumpe 54 wieder dem eingangsseiti
gen Anschluß 46 zum äußeren Wärmeträgerkreislaufes 4 zuge
führt.
Im Wasserkühlkreislauf 12 wird das Motorkühlwasser
durch die Wasserpumpe 98 und das Thermostatventil 100 je nach
Wassertemperatur entweder über die Bypassleitung 102 oder
über den Wasserkühler 104 geführt.
Der Kältemittelkreislauf 16 in Fig. 3 ist zur Ver
besserung der Leistung des Plattenverdampfers 36 mit einer
Fix-Orifice 38 ausgerüstet, die unterhalb der Auslegungslei
stung den Plattenverdampfer mit einem Überangebot an flüssi
gem Kältemittel versorgt, so daß zumindest bei Teillast die
innere Wärmeübertragungsfläche des Plattenwärmetauschers op
timal mit flüssigem Kältemittel versorgt ist. Um den Verdich
ter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen ist nach dem Plat
tenverdampfer ein saugseitiger Sammler 42 angeordnet, der ei
nen Flüssigkeitsabscheider 106 und eine Trocknerpatrone 108
beinhalten kann.
Eine vergrößerte Kältespeicherleistung des inneren
Wärmeträgerkreislaufes 6 nach Fig. 3 kann man wie in Fig. 4
dargestellt durch einen Kältespeicher 24 erreichen. Im Kälte
speicher 24 erfolgt eine direkte metallische Wärmeübertragung
vom Kältekreislauf 16 auf den Wärmeträgerkreislauf 2 über
eine metallische Leitverbindung 28. Zur Speicherung ist zwi
schen der Verrohrung des Kältemittelkreislaufes 16 sowie der
Verrohrung des Wärmeträgerkreislaufes 2 und der metallischen
Leitverbindung 28 eine phasenwandelnde Masse angeordnet. Bei
den Betriebsbedingungen bei Klimatisierungseinrichtungen ei
nes Reisebusses wird für die phasenumwandelnde Masse vorteil
hafterweise Wasser mit einem geringen Glykolanteil verwendet,
das einerseits eine Sprengwirkung des Wassers bei Umwandlung
des Aggregatszustandes vom flüssigen in die feste Phase ver
hindert und andererseits die Phasenumwandlungstemperatur her
absetzt. Kommt zu der Phasenumwandlung noch eine mögliche
Temperaturerhöhung des Speichermittels von 20°C dazu, so kann
pro kg Wasser ca. 1230 Watt pro kg und h eingespeichert wer
den, so daß bei einem Speicherinhalt von 100 kg Wasser eine
Spitzenlast von 20 kW 36 min aufrecht erhalten werden kann.
Die Kältekreislaufkomponenten in Fig. 3 sind analog
zu Fig. 2 mit einer Festdrossel 38 und saugseitigem Sammler
42.
Eine weitere Verbesserung des Verdampferwirkungs
grades insbesondere im Vollastbetrieb kann durch die Verwen
dung einer Ejektordüse 40 gemäß Fig. 6 erreicht werden. Im
Kältemittelkreislauf gem. Fig. 6 ist mittels den durchgezoge
nen Linien die Kältemittelführung bei Betrieb als Kälteanlage
dargestellt, während die strichpunktierte Linienführung die
Kältemittelführung für den Wärmepumpenbetrieb wiedergibt.
Bei Betrieb als Kälteanlage sind dabei die Magnet
ventile 110 im strichpunktierten Kältemittelkreislauf ge
schlossen.
Bei dem Kältemittelkreislauf gem. Fig. 6 wird durch
den Verdichter 30 das gasförmige Kältemittel in den Verflüs
siger 34 gefördert und dort durch die Umgebungsluft, die in
Strömungsrichtung gem. dem mit X gekennzeichneten Pfeil ge
führt wird, verflüssigt. Das verflüssigte Kältemittel wird
über die Flüssigkeitleitung 74 einer Düse 112 im Ejektor 40
zugeführt. Durch die starke Querschnittsverengung in der Düse
112 wird das Kältemittel vom Verflüssigungssdruck auf den
Verdampfungsdruck gedrosselt. Durch die hohe Geschwindigkeit
des aus der Düse 112 austretenden Flüssigkeitsstrahls stellt
sich im Saugraum 114 des Ejektors 40 ein geringerer Druck als
im Diffuser 116 ein, in dem die hohe Geschwindigkeit des
Flüssigkeitsstrahls wieder abgebaut wird. Der Diffuser 16 en
det unmittelbar im saugseitigen Sammler 42, in dem die flüs
sige und die gasförmige Phase getrennt wird. Die flüssige
Phase gelangt über eine Trocknerpatrone 108 und die Flüssig
keitsleitung 118 in den Plattenverdampfer 36, wo ein Großteil
des Kältemittels verdampft und dann wieder vom Saugraum 114
des Ejektors 40 angesaugt wird. Die Umwälzung des Kältemit
tels erfolgt dabei über den Druckrückgewinn durch den Ge
schwindigkeitsabbau des Flüssigkeitsgasstrahls aus der Düse
112 im Diffuser 116 des Ejektors 40.
Auf diese Weise wird der Plattenverdampfer 36 am
Eintritt mit 100% flüssigem Kältemittel beaufschlagt, so daß
die Verteilung des Kältemittels in den Platten bzw. auf die
einzelnen Platten keine Probleme bereitet. Da weiterhin der
Flüssigkeitsmassenstrom erheblich größer ist als durch die
Leistung im Verdampfer 36 verdampfen kann ist auch am Aus
tritt noch ein sehr hoher Flüssigkeitsanteil vorhanden, der
sicherstellt, daß die gesamte Platte flüssigkeitsbeaufschlagt
ist.
Während in Fig. 6 der Kältemittelkreislauf 16 als
Kältekreislauf in bezug auf den Wärmeträgerkreislauf 2 be
trieben wird, ist in Fig. 5 die Betriebsweise als Wärmepumpen
mit der durchgezogenen Linienführung dargestellt. Zusätzlich
sind wie in Fig. 6 auch die Kältemittelleitungen für den Be
trieb als Kälteanlage strichpunktiert eingezeichnet.
Die Magnetventile 110 in den strichpunktierten Lei
tungsführungen sind beim Betrieb als Wärmepumpe gem. Fig. 5
geschlossen. Durch die geänderte Rohrleitungsführung wird nun
die Kältemittel/Wasser-Wärmetauscheinrichtung 14 nicht mehr
als Verdampfer und somit zum Abkühlen des Wärmeträgerkreis
laufes 2 verwendet, sondern es liegt ein Betrieb als Verflüs
siger vor, bei dem das Heißgas vom Verdichter 30, das über
die Heißgasleitung 72 zur Kältemittel/Wasser-Wärmetauschein
richtung 14 geführt wird, in der das Kältemittel zunächst
enthitzt und dann verflüssigt wird. Dadurch wird der Wärme
trägerkreislauf 2 aufgeheizt.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Standheizung
wird außer der im Hilfsmotor 58 eingesetzten Primärenergie
auch noch Umgebungswärme aufgenommen, die über den Verflüssi
ger 34 der im Wärmepumpenbetrieb als Verdampfer eingesetzt
ist von der Umgebungsluft aufgenommen wird.
Aus diesem Grund ist mit einer wesentlichen Treib
stoffeinsparung zu rechnen.
Durch die in Fig. 5 mit durchgezogenen Linien dar
gestellte Kältemittelleitungsführung wird die Durchflußrich
tung gegenüber Fig. 6 in beiden Wärmetauschern nicht verän
dert. Lediglich die Funktion der Wärmetauscher wird umgepolt,
so wird aus dem ehemaligen Verflüssiger der Verdampfer der
Wärmepumpeneinrichtung gem. Fig. 5.
Durch den Einsatz eines saugseitigen Sammlers 42
ist jedoch in jedem Betriebszustand insbesondere bei Umschal
ten vom Kühlbetrieb in Wärmepumpenbetrieb der Verdichter vor
Flüssigkeitsschlägen gesichert. Dies kann durch Einsatz eines
inneren Wärmetauschers im saugseitigen Sammler 42 noch ver
bessert werden, wenn man das aus dem Verflüssiger austretende
flüssige Kältemittel in einer Rohrschlange vor der Drosselung
in der Düse 112 noch durch den saugseitigen Sammler 42 führt
und so das vom Verdichter angesaugte Sauggas überhitzt.
Um eine selbstständige Funktion als Standheizung zu
gewährleisten muß in der Einbaueinheit 22 ein zusätzlicher
Hilfsmotor 58 eingebaut sein, der den Verdichter 30 auch bei
Stillstand des Antriebsmotors 60 antreibt.
Ist ein solcher Hilfsmotor 58 vorhanden, so kann im
S Fig. 6 der Kältemittelkreislauf im Sommer auch als Stand
kühlanlage eingesetzt werden, die keinen Betrieb des An
triebsmotors 60 erfordert.
Um eine industrielle Vorfertigung von möglichst
vielen Komponenten der Klimatisierungsanordnung zu ermögli
chen, kann außer dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Teil
des Wärmeträgerkreislaufes 2 auch der gesamte innere Wärme
trägerkreislauf 6 gem. Fig. 3 enthalten sein, der durch die
Rohrleitungsverbindungen 50 gebildet wird.
Die Einbaueinheit enthält dann alle Ventile 52 so
wie Pumpen 54 und die Reglung und Steuerung die für den ge
samten Betrieb des Wärmeträgerkreislaufes 2 erforderlich
sind. Für den Anschluß an den äußeren Wärmeträgerkreislauf 4
sind die eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Anschlüsse
46, 48 an der Einbaueinheit 22 außen angebracht. Für den An
schluß an den Kühlkreislauf 12, der für die Heizung erforder
lich ist, stehen die eingangsseitigen bzw. die ausgangsseiti
gen Anschlüsse 120, 122 zur Verfügung.
Claims (17)
1. Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbe
sondere Omnibusse, mit einem Wärmeträgerkreislauf (2), der
über eine Wasser/Luft-Wärmetauscheinrichtung (8) mit minde
stens einem Frischluft- oder Umluftstrom für die Klimatisie
rung des Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs im Wärmetausch
steht, - wobei insbesondere dessen inneres Wärmetauschmedium
das Kühlwasser des wassergekühlten Antriebsmotors (60) des
Nutzfahrzeugs ist und für Heizungszwecke im Strömungsumlauf
mit dem Wasserkühlungskreislauf (12) des Antriebsmotors kom
muniziert, - wobei für Kühlzwecke der Wärmeträgerkreislauf
(2) vom Wasserkühlungskreislauf (12) des Antriebsmotors (60)
abgekoppelt zirkulierbar und über eine Kältemittel/Wasser-
Wärmetauscheinrichtung (14) im Wärmetausch mit einem Kälte
mittelkreislauf (16) steht, - der insbesondere außerhalb des
Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hilfsmotor (58) für den mechanischen Antrieb des Verdichters (30) und des Ventilators (32) des Kältemittel kreislaufs (16) für Standkühlung und Standheizung einbezogen ist,
daß die Standheizung unter entsprechender Verrohrung des Käl temittelkreislaufs (16) als Wärmepumpe ausgelegt ist, bei der der Kältemittelkreislauf (16) ventilmäßig so geschaltet ist, daß sowohl bei Kühlbetrieb als auch bei Betrieb als Wärme pumpe für die Standheizung die Durchflußrichtung in der Saugleitung gleich ist, die von einem Verdampfer (14) des Kältemittels bei Kühlbetrieb und von einem Verdampfer (34) des Kältemittels bei Heizbetrieb jeweils über denselben, auf den Verdichter (30) bezogen saugseitigen, Sammler (42) zum Verdichter (30) führt, und
daß die Klimatisierungsanordnung so ventilmäßig geschaltet ist, daß sowohl bei Kühlbetrieb als auch bei Betrieb als Wär mepumpe die Durchflußrichtung in beiden Wärmetauschern (14, 34) gleich bleibt.
daß ein Hilfsmotor (58) für den mechanischen Antrieb des Verdichters (30) und des Ventilators (32) des Kältemittel kreislaufs (16) für Standkühlung und Standheizung einbezogen ist,
daß die Standheizung unter entsprechender Verrohrung des Käl temittelkreislaufs (16) als Wärmepumpe ausgelegt ist, bei der der Kältemittelkreislauf (16) ventilmäßig so geschaltet ist, daß sowohl bei Kühlbetrieb als auch bei Betrieb als Wärme pumpe für die Standheizung die Durchflußrichtung in der Saugleitung gleich ist, die von einem Verdampfer (14) des Kältemittels bei Kühlbetrieb und von einem Verdampfer (34) des Kältemittels bei Heizbetrieb jeweils über denselben, auf den Verdichter (30) bezogen saugseitigen, Sammler (42) zum Verdichter (30) führt, und
daß die Klimatisierungsanordnung so ventilmäßig geschaltet ist, daß sowohl bei Kühlbetrieb als auch bei Betrieb als Wär mepumpe die Durchflußrichtung in beiden Wärmetauschern (14, 34) gleich bleibt.
2. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (2) in einen für
die Klimatisierung des Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs vor
gesehenen äußeren Kreislauf (4) und in einen inneren Kreis
lauf (6) unterteilbar ist, und daß in den inneren Kreislauf
(6) ein Wasserspeicher (20) mit einem solchen Speichervolumen
einbezogen ist, daß die spezifische Wärmekapazität des inne
ren Kreislaufs (6) mindestens 10 Wh/K beträgt.
3. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wasser im äußeren Kreislauf (4) und
das Wasser im inneren Kreislauf (6) unabhängig zirkulierbar
sind.
4. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (2) im
Betrieb sowohl den äußeren Kreislauf (4) als auch den inneren
Kreislauf (6) mitsamt Speicher (20) durchläuft.
5. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 2
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze innere Kreislauf
(6) außerhalb des Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs angeordnet
und mit dem Kältemittelkreislauf (16) zu einer Einbaueinheit
(22) zusammengefaßt ist.
6. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kältemittel/Wasser-Wärmetauschein
richtung (14) als Kältespeicher (24) ausgebildet ist, bei dem
sowohl der Kältemittelkreislauf (16) als auch der Wärmeträ
gerkreislauf (2) im Wärmetausch mit einer phasenwandelnden
Masse (26) stehen.
7. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die phasanwandelnde Masse (26) eine La
tentwärme speichernde Masse ist.
8. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Latentwärme speichernde Masse (26)
Wasser mit einem Sprengwirkung durch Ausdehnung verhindernden
Zusatz ist.
9. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatz eine kleinere Menge Glykol als
ein Glykolzusatz im Kühlwasser ist.
10. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 6
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wasser/Luft-Wärme
tauscheinrichtung eine metallische Wärmeleitverbindung (28)
zwischen dem Kältemittelkreislauf (16) und dem Wärmeträger
kreislauf (2) ausgebildet ist.
11. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung
(18) mehrere, vorzugsweise in den Kältemittelkreislauf (16)
gesondert zuschaltbare, Verdichter (30) aufweist, die alle
von dem Antriebsmotor (60) antreibbar sind.
12. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilatoreinrich
tung (32) für die Luftkühlung des Verflüssigers (34) des Käl
temittelkreislaufs (16) von dem Antriebsmotor (60) antreibbar
ist.
13. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittel/Wasser-
Wärmetauscheinrichtung (14) einen Plattenverdampfer (36) auf
weist, der mit einer Kältemitteldrosselung über eine Fixdros
sel (38), vorzugsweise eine Ejektordüse (40), und einem
saugseitigen Kältemittelsammler (42) versehen ist.
14. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 13, gekennzeichnet durch eine Zusammenfassung als Einbau
einheit (22), die als äußere Anschlüsse einen Antriebsan
schluß (44) an den Antriebsmotor (60) sowie eingangs- und
ausgangsseitige Anschlüsse (46, 48) des Wärmeträgerkreislaufs
(2), im Falle der Ansprüche 1 bis 4 des äußeren Kreislaufs
(4), sowie gegebenenfalls elektrische Anschlüsse aufweist.
15. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Einbaueinheit (22) auch die Rohr
leitungsverbindungen (50) nebst aktiven Elementen wie Venti
len (52) und/oder Pumpen (54) zur Verbindung des Kühlkreis
laufs (12) des Antriebsmotors (60) an den Wärmeträgerkreis
lauf (2) für Heizungszwecke einbezogen sind und zugehörige
eingangs- und ausgangsseitige Anschlüsse (120,122) der Ein
baueinheit (22) an den Kühlkreislauf (12) des Antriebsmotors
(60) vorgesehen sind.
16. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15,
gekennzeichnet durch Einbeziehung einer Zusatzstandheizung
(56) in die Einbaueinheit (22).
17. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreislauf
(16) in kompakter Bauweise ausgebildet ist.
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