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Die Erfindung betrifft ein Flurförderzeug mit einer Kabinenheizung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Flurförderzeug mit einer Leistungselektronik und/oder eine Energiespeichereinheit, die durch einen Kühlluftstrom gekühlt wird, sowie mit einer Heizvorrichtung für eine Fahrerkabine, wobei die Heizvorrichtung eine Wärmepumpe mit einem Umgebungsluftwärmetauscher umfasst.
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Viele Flurförderzeuge weisen eine Fahrerkabine auf, um den Fahrer vor Witterungseinflüssen, insbesondere Hitze und Kälte, zu schützen. Vor allem bei Flurförderzeugen, die als Gabelstapler ausgeführt sind, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben und die gerade in dieser Ausführungsform auch oft auf Freigeländen innerhalb von Betrieben eingesetzt werden, wird oft die Fahrerkabine klimatisiert, indem diese sowohl beheizt, wie auch gekühlt werden kann. Dadurch können die Arbeitsbedingungen des Fahrers verbessert werden, wenn das Flurförderzeug in dem Freigelände ganzjährig eingesetzt wird.
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Bei batterie-elektrisch betriebenen Gabelstaplern bzw. Flurförderzeugen sind Klimaanlagen für die Fahrerkabine noch nicht allgemein üblich. Es fehlt die Möglichkeit, den Kompressor einer Klimaanlage als Nebenaggregat eines Verbrennungsmotors anzutreiben und bisher ist es daher noch nicht üblich, Klimaanlagen in das allgemeine Belüftungs- und Beheizungssystem der Fahrerkabine zu integrieren. Eine bekannte Option für solche Flurförderzeuge bieten autark ausgeführte, kompakte Klimageräte. Ein solches Klimagerät beinhaltet in einem Gehäuse einen durch einen Elektromotor angetriebenen Kompressor, einen Kondensator, der Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgeben kann, sowie einen Verdampfer, der Wärmeenergie zur Kühlung der Innenraumluft aus der Fahrerkabine abführt. Ein solches kompaktes Klimagerät kann im Bereich des Fahrschutzdaches der Fahrerkabine angeordnet werden. Eine mögliche Ausführungsform saugt dabei warme Luft über bzw. hinter der Position des Fahrerkopfs im Bereich eines Fahrersitzplatzes an und lässt die abgekühlte Luft oberhalb der Position des Fahrerkopfes wieder in den Innenraum der Fahrerkabine.
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Bei batterie-elektrisch betriebenen Flurförderzeugen, die ihre Energieversorgung aus einem elektrischen Energiespeicher beziehen, wird zumeist eine Heizung der Fahrerkabine mit elektrischen Widerstandsheizelementen in Form von PTC-Elementen (Positive Temperature Coefficient Elementen) eingesetzt. Luft aus der Fahrerkabine wird durch ein Gebläse angesaugt, an den PTC-Heizelementen in einer Konsole vorbei geleitet, dabei erwärmte und anschließend durch Fußraum-, Innenraum- und Defrosterdüsen wieder der Fahrerkabine zugeführt. Als elektrische Widerstände setzen dabei die PTC-Heizelemente die aus dem elektrischen Energiespeicher aufgenommene Energie vollständig in Wärmeenergie um, entsprechend einem Wirkungsgrad von 100 %. Dabei sind sie gegen Überhitzung durch ihre physikalische Eigenschaft einer Erhöhung des Widerstands mit zunehmender Temperatur geschützt, da dadurch gleichzeitig der Stromdurchfluss durch das PTC-Element mit zunehmender Temperatur sinkt.
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Um Einschränkungen in der Reichweite bzw. Betriebsdauer des Flurförderzeugs zu verringern ist es bei solchen batterie-elektrisch betriebenen Flurförderzeugen bekannt, für das Beheizen einer Fahrerkabine anstatt der PTC-Elemente oder zusätzlich zu diesen eine Klimaanlage vorzusehen, die zum Beheizen der Fahrerkabine als Wärmepumpe betrieben wird. Dadurch wird der Umgebungsluft zusätzliche Wärme entzogen und es ergibt sich ein Wirkungsgrad größer als 1 bzw. 100 %.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass im Wärmepumpenbetrieb während des Beheizens der Fahrerkabine bei Außenlufttemperaturen von nur wenigen Grad über 0° Celsius oder bei Minustemperaturen es zu Problemen kommen kann. Dies ist insbesondere auch abhängig vom eingesetzten Kältemittel. Die genannten Werte gelten für das Kältemittel R134a, für das am umfangreichsten kostengünstigste Klimaanlagen zur Verfügung stehen. Für Klimaanlagen mit CO2 als Kältemittel oder sonstigen können abweichende Werte gelten. Während des Wärmepumpenbetriebs wird der Umgebungsluft beim Durchströmen des Außenwärmetauschers Wärme entzogen, da der Wärmetauscher im Heizbetrieb als Verdampfer wirkt. Der relative Feuchtigkeitsgehalt der sich abkühlenden Umgebungsluft steigt dadurch an und es kann zur Bildung von Kondensat kommen. Da der Wärmetauscher in diesem Betriebszustand eine Temperatur von weniger als 0 °C aufweist, führt dies zu einer Vereisung und aufgrund des schlechten Wärmeleitungskoeffizienten von Eis zu einer thermischen Isolierung durch eine Eiskrustenbildung, die die Funktionsweise des Wärmetauschers als Verdampfer zunächst einschränkt und schließlich vollständig verhindert.
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Eine bekannte Maßnahme, dies zu verhindern, ist ein so genannter Batch-Betrieb, bei dem die Wärmepumpe kurzzeitig umgeschaltet wird und somit die Klimaanlage wie zum Kühlen der Fahrerkabine betrieben wird, um den Umgebungsluftwärmetauscher durch einen Betrieb als Kondensator kurz zu erwärmen und zu enteisen.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass sich Komforteinbußen für einen Fahrer in der Fahrerkabine ergeben, da bei zu niedriger Temperatur zusätzlich noch für einen kurzen Zeitraum gekühlt wird. Auch ergibt sich ein erhöhter Energieverbrauch.
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Die weiter bekannte Lösung, eine Heizung für den Umgebungsluftwärmetauscher vorzusehen, ist energetisch nicht sinnvoll. Auch eine Ausführung des Umgebungsluftwärmetauschers mit einem so großen Lamellenabstand, dass dieser gegenüber einer Eisbildung unempfindlich ist, ist keine optimale Lösung, da sich ein erheblich größerer erforderlicher Einbauraum für den Umgebungsluftwärmetauscher ergibt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flurförderzeug mit einer Heizung für eine Fahrerkabine vorzusehen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und mit dem auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine Beheizung der Fahrerkabine mit möglichst wenig Energie möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Flurförderzeug mit einer Leistungselektronik und/oder eine Energiespeichereinheit, die durch einen Kühlluftstrom gekühlt wird, sowie mit einer Heizvorrichtung für eine Fahrerkabine, wobei die Heizvorrichtung eine Wärmepumpe mit einem Umgebungsluftwärmetauscher umfasst, eine Luftführung den Kühlluftstrom von der Leistungselektronik und/oder der Energiespeichereinheit zu dem Umgebungsluftwärmetauscher leitet.
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Batterie-elektrisch betriebene Flurförderzeuge weisen einen elektrischen Fahrantrieb auf, bei dem in modernen Ausführungsformen eine Leistungselektronik, etwa ein Umrichter, einen elektrischen Fahrmotor, beispielsweise eine asynchrone Drehstrommaschine, mit Strom variabler Frequenz und Spannung versorgt. Daneben bestehen auch weitere elektrischen Antriebe, etwa einer hydraulischen Pumpe für eine Arbeitshydraulik oder für einen Hubmast. Die hohe Leistungsdichte der hier eingesetzten Leistungselektronik erfordert eine Kühlung, die im Regelfall durch einen Kühlluftstrom erreicht wird als Luftkühlung. Daneben sind auch moderne Energiespeicher bekannt wie etwa Lithium-Ionenbatterie oder Doppelschichtkondensatoren, die ebenfalls durch einen Luftstrom gekühlt werden. Wenn dieser Kühlluftstrom durch eine Luftführung zu dem Umgebungsluftwärmetauscher geführt wird, kann eine Eisbildung verhindert werden. Auch kann die Wärmepumpe ausgehend von einem höheren Temperaturniveau arbeiten und es wird weniger Energie erforderlich, um die Fahrerkabine zu beheizen. Der bereits erwärmten Kühlluft kann leichter Wärme entzogen werden. Bei einer klassischen Klimaanlage als Wärmepumpe, bei der der Umgebungsluftwärmetauscher im Verdampfungsbetrieb läuft, ist nur eine geringere Druckerhöhung in dem Kompressor erforderlich. Im Regelfall ist im Inneren der Fahrerkabine ein Innenwärmetauscher angeordnet, über den die Wärmepumpe die erzeugte Wärme an die Luft abgibt. Als Wärmepumpe kommt dabei eine mit entsprechender Leistungsrichtung betriebene Klimaanlage mit einem Kältemittel, Kompressor, Verdampfer sowie Kondensator infrage. Als weiterer Vorteil werden Komforteinbußen für einen Fahrer vermieden, da nicht in einem Enteisungsbetrieb bei noch zu kalter Fahrerkabine eine solche Klimaanlage mit entgegengesetzter Richtung betrieben werden muss, um durch kurzzeitiges Beheizen des Umgebungsluftwärmetauschers entstandenes Eis zu beseitigen. Der Umgebungsluftwärmetauscher kann auch entsprechend kleiner ausgeführt werden, etwa in Bezug auf Fläche und Bautiefe.
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Die Wärmepumpe kann weiterhin einen Kompressor, einen Innenwärmetauscher für die Fahrerkabine und eine Expansionsventileinrichtung umfassen.
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Ein solcher Aufbau entspricht in seinen Komponenten einer klassischen Fahrzeugklimaanlage und steht kostengünstig zur Verfügung.
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Vorteilhaft kann die Wärmepumpe in einem Kühlbetrieb über den Innenwärmetauscher die Fahrerkabine kühlen.
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Dadurch lässt sich zugleich auch eine Klimatisierung der Fahrerkabine bei zu hohen Temperaturen erreichen neben der Heizfunktion. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn sich die Wärmepumpe, beispielsweise eine kältemittelbetriebene Fahrzeugklimaanlage, in beide Richtungen betreiben lässt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn ein in beide Richtungen wirksames Expansionsventil vorgesehen wird, oder wenn zwei gegensätzliche orientierte und parallel angeordnete Expansionsventile mit entsprechenden Rückschlagventilen vorgesehen sind. Weiterhin ist es hierfür vorteilhaft, wenn ein Kompressor einer Fahrzeugklimaanlage über eine Ventileinrichtung angeschlossen wird, die die Umlaufrichtung eines Kältemittels umkehren kann.
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Durch eine Luftklappe wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der erwärmte Kühlluftstrom von der Leistungselektronik und/oder der Energiespeichereinheit während eines Heizbetriebes der Wärmepumpe dem Umgebungsluftwärmetauscher zugeführt und während eines Kühlbetriebs nicht zugeführt.
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Während eines Kühlbetriebs ist es nicht sinnvoll, den Umgebungsluftwärmetauscher mit bereits erwärmter Luft zu beaufschlagen, da dadurch beispielsweise bei einer bekannten Fahrzeugklimaanlage erhöhte Arbeitsdrücke des Kompressors und ein höherer Energieverbrauch verursacht würden. Durch eine Luftklappe kann daher der Luftstrom so umgeleitet werden, dass der Kühlluftstrom von der Leistungselektronik und/oder der Energiespeichereinheit nur bei einem Heizbetrieb auf den Umgebungsluftwärmetauscher gelenkt wird.
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Es kann ein zweiter Umgebungsluftwärmetauscher für den Kühlbetrieb vorgesehen sein, der nicht mit dem erwärmten Kühlluftstrom von der Leistungselektronik und/oder der Energiespeichereinheit beaufschlagt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform wird für den Kühlbetrieb ein zweiter Umgebungsluftwärmetauscher vorgesehen, der nicht mit dem Kühlluftstrom beaufschlagt wird und getrennt angeordnet ist. Durch geeignete Ventilanordnungen, beispielsweise bei einer Fahrzeugklimaanlage im Kältemittelkreislauf, wird dabei sichergestellt, dass die Wärmepumpe bei einem Kühlbetrieb den zweiten Umgebungsluftwärmetauscher nutzt und bei einem Heizbetrieb den ersten Umgebungsluftwärmetauscher, der mit den Kühlluftstrom beaufschlagt wird. Ein solcher zweiter Umgebungsluftwärmetauscher kann dabei an einem Dach der Fahrerkabine angeordnet sein, wie bei Aufsatz-Fahrzeugklimaanlagen bekannt.
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Es kann ein Lüfter für die Erzeugung des Kühlluftstroms vorgesehen sein.
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Vorteilhaft wird der Lüfter bei einem Heizbetrieb angeschaltet, insbesondere abhängig von einem Heizbedarf geregelt.
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Die bekannte Ansteuerung des Lüfters in Abhängigkeit von der Temperatur der Leistungselektronik bzw. der Energiespeichereinheit kann dahingehend erweitert werden, dass der Lüfter angeschaltet wird, wenn ein Heizbetrieb gewünscht wird. Dabei kann die Lüfterleistung bzw. eine Lüfterdrehzahl auch davon abhängig geregelt werden, welcher Heizbedarf erforderlich ist.
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Der Lüfter kann als Sauglüfter nach dem Umgebungsluftwärmetauscher angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anordnung eines Lüfters zwischen Leistungselektronik und/oder Energiespeichereinheit sowie Umgebungsluftwärmetauscher denkbar.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs und
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2 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs.
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Die 1 zeigt ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung 1 eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs. Eine Wärmepumpe 2 weist einen Kompressor 3 mit einem Antriebsmotor 4 auf, durch den ein Kältemittel in einem Kältemittelkreis 5 in Umlauf gebracht und verdichtet wird. Durch eine Ventileinrichtung 6 in Form eines 4/4-Wegeventil 7 kann die Umlaufrichtung des Kältemittels festgelegt werden und zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb umgeschaltet werden. Ein Innenwärmetauscher 8 mit einem Lüfter 9 dient zum Beheizen oder Kühlen der Luft in einer Fahrerkabine, abhängig von der Arbeitsweise als Verdampfer oder Kondensator. Die Wärmepumpe 2 kann demnach im Kühlbetrieb oder Heizbetrieb arbeiten. Ein Umgebungsluftwärmetauscher 10 kann ebenfalls sowohl als Verdampfer, wie auch als Kondensator betrieben werden. Zu diesem Zweck ist sowohl dem Umgebungsluftwärmetauscher 10, wie auch dem Innenwärmetauscher 8 jeweils ein Expansionsventil 11 zugeordnet, dass bei entsprechender Umlaufrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreis 5 zum Einsatz kommt.
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Das Flurförderzeug weist weiterhin eine Leistungselektronik 12, beispielsweise einen Umrichter für einen elektrischen Fahrantrieb auf, die in der 1 durch ein Transistorsymbol dargestellt ist. Um die Leistungselektronik 12 in einem zulässigen Temperaturbereich zu halten, wird diese durch einen Kühlluftstrom 13 gekühlt. Dieser Kühlluftstrom 13 wird durch einen Lüfter 14 erzeugt und durch eine Luftführung 15 zu dem Umgebungsluftwärmetauscher 10 geführt.
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Dadurch wird bei kalten Umgebungstemperaturen dem Umgebungsluftwärmetauscher 10 in dem dargestellten Heizbetrieb der Wärmepumpe 2 erwärmte Luft zugeführt. Der in diesem Betriebsmodus als Verdampfer arbeitende Umgebungsluftwärmetauscher 10 entzieht dieser Luft Energie und der als Kondensator arbeitende Innenwärmetauscher 8 beheizt die Luft der Fahrerkabine des Flurförderzeugs.
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Vorteilhaft kann es nicht zu einer Vereisung des Umgebungsluftwärmetauschers 10 kommen, bzw. sind die kritischen Temperaturgrenzen zumindest deutlich nach unten verschoben, wird weniger Energie benötigt und kann der Umgebungsluftwärmetauscher 10 auch kleiner ausgelegt werden.
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Eine Luftklappe 16 in der Luftführung 15 ermöglicht es, für einen Kühlbetrieb dem Umgebungsluftwärmetauscher 10 direkt Umgebungsluft zuzuleiten. Dadurch wird beim Betrieb der Wärmepumpe 2 eine maximale Kühlleistung bzw. Kühlleistung mit geringem Energieverbrauch möglich. Bei dem Kühlbetrieb wird über das 4/2-Wegeventil 7 die Förderrichtung des Kompressors 3 und somit die Umlaufrichtung des Kältemittels umgekehrt, so dass durch den als Verdampfer wirkenden Innenwärmetauscher 8 die Luft in der Fahrerkabine gekühlt wird.
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Die 2 zeigt ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung 1 eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs. Den Bauteilen des vorherigen Ausführungsbeispiels entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der Wärmepumpe 2 wird durch den Kompressor 3 sowie den Antriebsmotor 4 das Kältemittel in dem Kältemittelkreis 5 in Umlauf gebracht und verdichtet. Durch die Ventileinrichtung 6 in Form des 4/2-Wegeventil 7 kann die Umlaufrichtung des Kältemittels festgelegt werden und zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb umgeschaltet werden. Der Innenwärmetauscher 8 mit dem Lüfter 9 dient zum Beheizen oder Kühlen der Luft in der Fahrerkabine, abhängig von der Arbeitsweise als Verdampfer oder Kondensator. Der erste Umgebungsluftwärmetauscher 10 wird von dem Lüfter 14 mit dem Kühlluftstrom 13 der Leistungselektronik 12 beaufschlagt.
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Durch ein Umschaltventil 17 in Form eines 3/2-Wegeventils 18 kann das Kältemittel für einen Kühlbetrieb auf einen zweiten Umgebungsluftwärmetauscher 19 mit einem weiteren Lüfter 20 umgeleitet werden, der direkt von Umgebungsluft beaufschlagt wird. Den beiden Umgebungsluftwärmetauschern 10, 19, wie auch dem Innenwärmetauscher 8 ist jeweils ein Expansionsventil 11 zugeordnet, das bei entsprechender Umlaufrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreis 5 zum Einsatz kommt.
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Bei dem dargestellten Kühlbetrieb, wird das von dem Kompressor 3 verdichtete Kältemittel in dem zweiten Umgebungsluftwärmetauscher 19 abgekühlt und erzeugt anschließend in dem Innenwärmetauscher 8 nach der Expansion eine Kühlleistung, um die Fahrerkabine abzukühlen. Bei einem Heizbetrieb werden das 4/2-Wegeventil 7 sowie das 3/2-Wegeventil 18 in die jeweils andere Schaltstellung verbracht und die Wärmepumpe 2 entnimmt dem Kühlluftstrom in dem ersten Umgebungsluftwärmetauscher 10 Wärmeenergie.
