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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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Gerade bei Fahrzeugen mit einer höheren Maximal-Geschwindigkeit als beispielsweise 50 km/h ist der Windwiderstand dieser Klimatisierungseinheit relevant. Typischerweise wird daher ein eher flacher und lang gestreckter Aufbau gewält.
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Ein weitere Gesichtspunkt ist das Gewicht der Klimatisierungseinheit, wobei dieser Gesichtspunkt auch bei Kabinenfahrzeugen relevant ist.
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Man ist bemüht, einen schwergewichtigen Dachaufbau zu vermeiden, alleine schon, um das Dach des Fahrzeugs, an dem die Klimatisierungseinheit rüttelsieher befestigt werden muss, nicht zu sehr zu belasten.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine Wärmepumpe für Klimatisierungseinheiten einzusetzen. Eine solche Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer, einen Kondensator, eine Drossel und einen Kompressor und dient typischerweise dazu, Nutzwärme zu erzeugen, also basierend auf einer bestimmten Außentemperatur unter Verwendung der mechanischen Energie des Kompressors ein höheres Temperaturniveau in dem Kondensator zu erzeugen, um die Heizung des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Dieses Prinzip kann auch umgekehrt werden, indem die Rolle von Kondensator und Verdampfer getauscht wird und, also der Kondensator von Außenluft durchströmt wird und der Verdampfer von Innenluft, um Kühlenergie für das Fahrzeug bereitzustellen.
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Für die Ausgestaltung der Außenluft-Wärmetauscher und des zugehörigen Kreislaufs des Wärmeträger-Mediums, aber auch für die Bereitstellung der Luftströmung durch die Außenluft-Wärmetauscher sind zahlreiche Ausgestaltungen vorgeschlagen worden. Häufig verwendet man flach liegende Axialgebläse mit senkrechter Drehachse, die die Luftströmung durch die Außenluft-Wärmetauscher sicherstellen sollen. Diese sind häufig liegend in dem entsprechenden Gehäuse angeordnet, um eine große Durchströmungsfläche zu ermöglichen.
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Es sind aber auch stehende Anordnungen der Außenluft-Wärmetauscher vorgeschlagen worden, und schließlich ist auch aus der
DE 29 36 058 C2 seit langem die Verwendung eines Radialgebläses für einen Verdampfer an sich bekannt geworden.
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Axialgebläse haben den Nachteil eines schlechteren Wirkungsgrads des Gebläses selbst. Der Druckaufbau ist schwierig, wobei insofern mit zahlreichen unterschiedlichen Formen von Axialgebläsen experimentiert wurde.
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Die bekannten Lösungen für die Verwendung von Radialgebläsen in Verbindung mir Außenluft-Wärmetauschern erfordern eine gezielte Strömungsumlenkung, um einen Kompromiss zwischen dem Gewicht des Fahrzeugs, dem Strömungswirkungsgrad und dem Verdampferwirkungsgrad anzustreben.
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Die bekannten Lösungen sind nicht befriedigend, was den strömungstechnischen Wirkungsgrad in bezogen auf die erwünschte Leistung angeht und führen zu hohen Drehzahlen der Gebläse, mit entsprechend hohen Geräuschwerten. Ferner sind die benötigten Gehäuse nicht so kompakt, wie es bei Aufdach-Lösungen erwünscht wäre.
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Daher 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 strömungstechnischen Wirkungsgrad hat und auch eine vergleichsweis geringe Geräuschentwicklung bietet.
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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 aus Außenluft-Wärmetauschern aufzubauen, die zugleich mindestens zwei Seitenwände eines Außenluft-Gehäuses bilden.
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Der Innenraum des Gebläses ist als Druckraum ausgestaltet, der mit mindestens einem Radialgebläse mit stehender Achse mit Druckluft beaufschlagt wird.
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Bevorzugt hängt das Radialgebläse oder die Radialgebläse an der Oberwand des Gehäuses und nimmt diese zum großen Teil ein.
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Damit verbleiben als eigentliche Gehäuseelemente schmale Kunststoffstreifen oder Blechstreifen zwischen den Außenluft-Wärmetauschern und den Gebläsen, die sich in Längsrichtung des Fahrzeugs erstrecken.
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Bevorzugt schließt sich an das Außenluft-Gehäuse nach hinten das Wärmepumpen-Gehäuse an, so dass dort eine gemeinsame Gehäusewand vorgesehen sein kann.
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Damit bleibt als einzige separate Gehäusewand lediglich die Vorderwand des Wärmetauscher-Gehäuses, die typischerweise geeignet für eine flache Anströmung durch den Fahrtwind ausgebildet ist.
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Insofern lässt sich die erfindungsgemäße Klimatisierungseinheit für Fahrzeuge mit ausgesprochen wenigen Gehäuseteilen und damit leichtgewichtig aufbauen.
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Die Außenluft-Wärmetauscher sind bevorzugt auf dem Dach des Fahrzeuges abgestützt. Sie tragen die Oberwand, die wiederum die Radialgebläse trägt.
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Die Radialgebläse können im Druckraum frei ausströmen, und zwar in alle seitlichen Richtungen. Daher ist ihre Effizienz hoch, und es entsteht eine Druckluftzone mit einem gleichmäßigem Überdruck, wobei sich vorteilhaft die Tatsache ausnutzen lässt, dass Radialgebläse einen besseren Druckaufbau haben als Axialgebläse.
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Durch den Druckraum entsteht vor den Außenluft-Wärmetauschern eine Strömungsberuhigungszone, so dass die Wärmetauscher im Wesentlichen von einer laminaren Luftströmung durchströmt werden.
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Die Luftumlenkung des Außenluftstromes erfolgt praktisch ausschließlich in den Gebläsen selbst um 90 Grad, während im Übrigen keine oder keine nennenswerte Strömungsumlenkung erforderlich ist.
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Durch Anordnung mehrerer Radialgebläse hintereinander in Fahrtrichtung des Fahrzeuges lässt sich bei einer lang gestreckten Ausgestaltung eine erhebliche Gebläseleistung bereitstellen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der in der horizontalen Richtung frei ausströmenden Radialgebläse ermöglicht vergleichsweise niedrige Drehzahlen bei gleicher Luftleistung und insbesondere auch eine Verringerung der Verluste aufgrund der Luftumlenkung, wie sie beim Stand der Technik erforderlich ist.
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Dies führt auch zur Geräuschreduktion.
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Während in Verbindung mit Axialgebläsen für die Außenluft-Wärmetauschern an Aufdach-Klimatisierungseinheiten häufig vier einzelne Axialgebläse im Viereck angeordnet sind, lässt sich erfindungsgemäß die nahezu gleiche Luftleistung durch lediglich zwei Radialgebläse in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sicherstellen.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Ausgestaltung lässt sich der Außenluft-Wärmetauscher zwischen der Funktion als Verdampfer und der Funktion als Kondensator der Wärmepumpe umschalten.
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Die Wärmepumpe ist erfindungsgemäß im Übrigen in einem Wärmepumpen-Gehäuse untergebracht. Dieses ist - in Fahrtrichtung betracht - hinter oder vor dem Gehäuse für die Außenluft-Wärmetauscher angeordnet, bevorzugt dahinter.
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Das Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuse, also das Wärmepumpen-Gehäuse, nimmt den Innenraum-Wärmetauscher und das zugehörige Radialgebläse auf, sowie bevorzugt auch die Drossel und den Kompressor des Wärmetauscher-Mediums.
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Es versteht sich, das entsprechende Leitungen in an sich bekannter Weise zwischen den Wärmetauschern, der Drossel und dem Kompressor vorgesehen sind.
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Die Umschaltung kann in beliebiger geeigneter Weise erfolgen, beispielsweise über entsprechende Umschaltventile.
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Bei entsprechend ausgestalteten Kompressoren ist auch möglich, die Drehrichtung des Kompressors umzuschalten.
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Als Wärmetauscher-Medium kann ein beliebiges geeignetes Wärmetauscher-Medium vorgesehen sein, beispielsweise ein in Deutschland zugelassenes Kältemittel wie R134a, oder beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol.
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In erfindungsgemäß bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb 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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Insofern bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, das Wärmepumpen-Gehäuse mit mindestens einer Frischluftklappe oder einem Frischluftschieber auszurüsten, der es ermöglicht, bei Bedarf Frischluft dem Innenraum über das dortige Wärmepumpen-Gebläse zuzuführen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Wärmepumpen-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 Wärmepumpen-Gehäuses ausgebildet sein kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann auch eine Umluftöffnung des Wämepumpen-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 des Wärmepumpen-Gehäuses beaufschlagt werden.
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Hierzu können entsprechende Auslässe umschaltbar und/oder getrennt regelbar sein.
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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 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Au ßenluft-Gehäuses in schematischer Darstellung;
- 2 ein Querschnitt durch ein Wärmepumpen-Gehäuse in schematischer Darstellung;
- 3 eine Draufsicht auf das Wärmepumpen-Gehäuse in der Ausführungsform gemäß 2;
- 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Außenluft-Gehäuses gemäß 1;
- 5 eine schematische Darstellung eines Betriebs einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinheit für das Heizen des Fahrzeugs;
- 6 eine schematische Darstellung des Betriebs der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinheit für das Kühlen des Fahrzeugs; und
- 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Wärmepumpen-Gehäuses in der Draufsicht.
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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 20, 22. Die Seitenwände werden von Außenluft-Wärmetauschern 24 und 26 gebildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Außenluft-Wärmetauscher 24 und 26 leicht schräg stehend montiert. Dadurch wird die Luftströmung aus dem Gehäuse 12 durch die Wärmetauscher 24 und 26 hindurch verbessert.
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Diese Lösung ist besonders dann günstig, wenn seitlich neben den Wärmetauschern 24, 26 ein Hindernis wie eine Batterie 30 montiert ist, die ansonsten die Ausströmung beeinträchtigen würde.
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In dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jeder Wärmetauscher 24 und 26 aus zwei Einzelwärmetauschern 24a, 24b und 26a, 26b. Die Einzelwärmetauscher sind mit einem Abstand 32 voneinander montiert, der etwas weniger als die Tiefe T jedes Einzelwärmetauschers 24a, 24b beträgt.
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Beide Wärmetauscher 24a, 24b werden parallel zueinander einem Wärmeträger-Medium durchströmt, das hier nicht dargestellt ist.
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Alternativ ist es vorgesehen, das zunächst der Wärmetauscher 24a und dann der Wärmetauscher 24b durchströmt wird, um insofern das an sich bekannte Gegenstromprinzip zu realisieren.
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Beide Wärmetauscher 24 und 26 sind zueinander spiegelbildlich, also je auf einer Fahrzeugseite angebracht.
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Zwischen ihnen 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 38,40 an der Oberwand 18 aufgehängt.
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Das Gebläse 36 ist als Radialgebläse 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 Gebläserats 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 Seitenwänden 20 und 22 durchströmt die Druckluft die jeweiligen Wärmetauscher 24 und 26.
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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 2 ist eine Wärmepumpe 50 schematisch ersichtlich. Die Wärmepumpe weist ein Wärmepumpen-Gehäuse 52 auf. In diesem befindet sich ein Wärmepumpen-Wärmetauscher 54 als senkrecht stehende und zentrale Einheit. Ferner sind in dem Wärmepumpen-Gehäuse 52 ein Innenluft-Gebläse 56, eine Drossel 58 und ein Kompressor 60 vorgesehen, die hier schematisch dargestellt sind.
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Die Wärmepumpe 50 ist das Außenluft-Gehäuse 12 auf dem Dach 14 des Fahrzeugs 16 angeordnet und befestigt. Die Wärmepumpe 50 ist bevorzugt in Fahrtrichtung hinter dem Gehäuse 12 angeordnet. Die Wärmepumpe 50 wird von Innenluft 62 durchströmt, wobei eine Innenluft-Ansaugöffnung 64 und eine Innenluft-Druckluftöffnung als Dach-Durchbrechung ausgebildet sind.
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Durch das Gebläse 56 wird die Innenluft aus der Innenluft-Ansaugöffnung 64 angesaugt und durch tritt den Wärmepumpen-Wärmetauscher 54, um dann durch die Druckluftöffnung 66 erneut in den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben zu werden.
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Aus 3 ist das Wärmepumpen-Gehäuse 52 im Schnitt in der Draufsicht zu ersehen. Es ist ersichtlich, dass zusätzlich zu dem Wärmepumpen-Wärmetauscher 54 ein weiterer Wärmepumpen-Wärmetauscher 55 vorgesehen ist, der parallel von der Umluft durchströmt wird. Der Wärmepumpen-Wärmetauscher ist beabstandet von Druckstutzen 70 des Gebläses 56. Wie aus 3 ersichtlich ist, sind zwei Doppelradial-Gebläse hintereinander angeordnet und bauen in einem Druckraum 72 einen Überdruck auf.
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Die dort unter Druck stehende Luft durchströmt die Wärmetauscher 54 und 55.
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Stromab der Wärmetauscher 54 und 55 ist die Druckluftöffnung 66 ausgebildet. Die Ausströmung erfolgt schräg nach seitlich/unten, wobei bei Bedarf auch hier nicht dargestellte Luftleitbleche die Umströmung von der horizontalen in die schräge Abwärtsrichtung unterstützen können.
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Ansaugseitig ist aus 3 die Ansaugöffnung 64 ersichtlich. Diese kann bei Bedarf mit einem Schieber, der hier nicht dargestellt ist, abgedichtet werden, und es kann eine Frischluftöffnung 74 vorgesehen sein, die mit einem weiteren Schieber 76 abdeckbar ist.
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Beide Schieber sind bevorzugt unabhängig voneinander steuerbar, um das Mischungsverhältnis von Frischluft und Umluft einstellen zu können.
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Die Drossel 58 und der Kompressor 60 sind je mit Wärmeträgermedium-Leitungen in einem Kreislauf mit den Wärmetauschern 24 und 26 verbunden. Hierbei sind in 3 die Leitungen 78 und 80 schematisch ersichtlich. Es versteht sich, dass weitere Leitungen in an sich bekannter Weise den Kreislauf des Wärmeträger-Mediums bereitstellen.
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Bevorzugt ist die Strömungsrichtung durch den Kompressor 60 einstellbar, beispielsweise über ein entsprechendes Umschaltventil. Mit diesem lässt sich von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb und wiederum auf Heizbetrieb umschalten.
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Aus 4 ist eine modifizierte Ausgestaltung des Außenluft-Gehäuses 12 ersichtlich. Bei dieser Gehäuseform sind die Seitenwände 20 und 22 von aufrechtstehenden Wärmetauschern 24 und 26 gebildet.
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Anstelle der hängenden Montage über die Streben 38 und 40 kann das Außenluft-gebläse 36 auch stehend auf der Dachhaut des Daches 14 montiert sein. Die hier dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Montageaufwand vor Ort, also auf dem Dach des Fahrzeugs, geringer ist.
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Aus 5 ist der schematische Heizkreislauf 80 ersichtlich. Der Kondensator der Wärmepumpe 50 ist hier der Wärmepumpen-Wärmetauscher 54. Er wird von dem Kompressor 60 mit Wärmeträger-Medium in einem Kreislauf 82 gespeist. Nach Austritt aus dem Kondensator 24 durchtritt das Wärmeträger-Medium die Leitung 78 und die Drossel 58, so dass das Medium sich entspannt und damit automatisch abkühlt. In diesem Zustand durchtritt das Medium den Außenluft-Wärmetauscher als Verdampfer 54.
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Ausgangsseitig des Verdampfers 24 gerät das Medium erneut in den Kompressor 60, der zur Temperaturerhöhung führt.
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Insofern agiert der Verdampfer als Außenluft-Wärmetauscher 24, während der Wärmepumpen-Wärmetauscher 54 den Innenraum 84 des Fahrzeugs erwärmt.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform wird der Wärmetauscher 54 nicht von Luft durchströmt, sondern von einem flüssigen Medium wie Wasser.
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Dieses ist in einem Heizkreis 86 in den Innenraum 84 geführt, wo die Wärme über einen weiteren, nicht dargestellten Wärmetauscher abgegeben wird.
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Analog hierzu ist der Verdampfer 24 Teil eines Außenluft-Kreislaufes 88 und wird ebenfalls von Wasser durchströmt. Ein Außenluft-Wärmetauscher 89 dient dem Wärmetausch mit der Außenluft.
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Aus 6 ist der Kreislauf 82 für das Kühlen des Innenraumes 84 dargestellt. Hier agiert der Außenluft-Wärmetauscher als Kondensator 24, und der Wärmepumpentauscher 54 als Verdampfer 54.
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Im Kompressor 60 wird das Medium im Kreislauf 82 komprimiert, also unter Druck gesetzt und tritt in den Kondensator 24, also den Außenluft-Wärmetauscher ein. Dort kühlt es ab und gelangt von dort zur Drossel 58.
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Nach Entspannung, also nach Erreichen eines Untertemperatur-Zustands, tritt es in an sich bekannter Weise in den Verdampfer 54 ein. Die durchströmende Umluft wird abgekühlt, so dass der Innenraum 84 ebenfalls abgekühlt wird.
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Ausgangsseitig des Verdampfers 24 ist eine Leitung 80 vorgesehen, durch welche das Medium erneut zum Kompressor 60 gelangt.
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Auch in dieser Betriebsart wird der Wärmetauscher 54 nicht von Luft durchströmt, sondern von einem flüssigen Medium wie Wasser.
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Dieses ist in einem Kühlkreis 92 in den Innenraum 84 geführt, wo die Wärme über den weiteren, nicht dargestellten Wärmetauscher abgegeben wird.
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Analog hierzu ist der Wärmetauscher 24 Teil eines Außenluft-Kreislaufes 90 und wird ebenfalls von Wasser durchströmt. Der Außenluft-Wärmetauscher 89 dient dem Wärmetausch mit der Außenluft auch im Kühlbetrieb.
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Schließlich ist aus 7 eine weiter modifizierte Ausgestaltung der Wärmepumpe 50 ersichtlich. Bei dieser Ausgestaltung ist die Druckluftöffnung 66 zweigeteilt, so dass die Umluftabgabe zum Fahrer und zum Passagierraum des Busses getrennt regelbar ist.
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Dies ist durch entsprechende Schieber gewährleistet.
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Bei dieser Lösung ist ein reiner Umluftbetrieb durch die Ansaugöffnung 64 vorgesehen, so dass die Frischluftöffnung für das Gebläse entfallen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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