DE19536972C1 - Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisie­ rungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 ei­ ner Passagierzelle eines Reiseomnibusses oder zur Kühlung ei­ nes sonstigen Nutzraums eines Nutzfahrzeugs dienende Frisch­ luft oder Umluft unter Abkühlung geblasen wird. Verdich­ tereinrichtung sowie Verflüssigereinrichtung des Kältemittel­ kreislaufs 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 Ver­ dampfern Kältemittelleitungen geführt sind. Dies führt zu ei­ ner ganzen Reihe negativer Effekte, wie relativ hohem Bedarf an Kältemittel, Druckverlust in den langen Leitungen, erheb­ liche Abdichtungsarbeiten und trotzdem häufig Leckagegefahr, Eintritt von Wasserdampf durch die langen Verbindungsleitun­ gen zwischen Stauraum und Verdampfer mit der Gefahr einer Verringerung des Wirkungsgrades sowie einer Verschlechterung der Schmierung des jeweils eingesetzten Verdichters unter Verseifung bis zum Ausfall sowie der Unmöglichkeit, den Käl­ temittelkreislauf in Vorfertigung zu montieren und mit Kälte­ mittel vorzufüllen.

In der DE 38 03 439 A1 wird eine Klimatisierungs­ anordnung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der solche Nachteile behoben werden sollen. Die Erfindung geht im Ober­ begriff von Anspruch 1 von dieser vorbeschriebenen Kli­ matisierungsanordnung aus. Sie ist dadurch ausgezeichnet, daß alle aktiven Teile des Kältemittelkreislaufs außerhalb des Nutzraums des Kraftfahrzeugs anordbar sind und eine sekundäre Wärmeübertragung 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 be­ heben, da der außerhalb des Nutzraums anordbare Kältemittel­ kreislauf mit kürzeren Leitungsverbindungen 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.

Bei dieser vorbekannten Klimatisierungsanordnung wird ein Einspritzventil verwendet und als Verdampfer dient ein sogenannter Doppelrohrdurchlaßwärmetauscher, der auch als Koaxialrohrwärmetauscher bekannt 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 konven­ tionellen sonstigen Klimatisierungsanordnungen der erstge­ nannten Art voll wettbewerbsfähig ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Klimatisierungsanord­ nung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und vorzugsweise Anspruch 2 gelöst. Der Oberbegriff von Anspruch 1 geht dabei von der oben genannten Druckschrift aus. Solche Merkmale im Ober­ begriff, die von der Erfindung gemäß Anspruch 1 und gegebe­ nenfalls 2 nicht betroffen sind, sind dabei nur fakultativ mit "insbesondere" aufgeführt und sind zum Teil von Unteran­ sprüchen betroffen.

Wenn man nämlich einen Plattenverdampfer mit rela­ tiv großer wirksamer Fläche mit einer Kältemitteldrosselung über eine vorzugsweise als Ejektordüse wirkende Fixdrossel koppelt, kann man die Verdampferleistung durch optimale Flä­ chenbeaufschlagung mit flüssigem Kältemittel in die Nähe des theoretischen Maximums steigern und so im Vergleich mit be­ kannten Verdampferbauarten eine im ganzen schmalere Bauweise erhalten. Bei gleichem Materialeinsatz im Verdampfer wird durch die optimale Flächenbeaufschlagung des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel eine wesentliche Kälteleistungssteige­ rung erzielt, die auch die Ansprechgeschwindigkeit der Klima­ tisierungsanordnung verbessert.

Bei der bekannten Anordnung ist ferner die Langsam­ keit des Ansprechens der Kühlung dadurch bestimmt, daß der Kältemittelkreislauf erst in Betrieb genommen wird, wenn Kühlbedarf besteht und dabei der Gesamtinhalt des Wärmeträ­ gerkreislaufs an Wasser abgekühlt werden muß, was zu der an­ gesprochenen großen Trägheit führt.

Grundgedanke der Erfindung gemäß der ersten Vari­ ante nach den Ansprüchen 3 bis 6 einerseits und gemäß der zweiten Variante nach den Ansprüchen 7 bis 11 andererseits ist demgegenüber, mit dem Kühlvorgang bereits vor Beginn der gewünschten Abkühlung zu starten und in der dadurch gewonne­ nen 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 dienenden Wassers in einem inneren Kreislauf vorzukühlen und in einem Wasserspeicher zur Einspeisung in einen äußeren Wärmeträgerkreislauf bereitzustellen, so daß diese bereitgestellte Wassermenge bereits in der Anfangsphase der gewünschten Kühlung wirksam zur Verfügung steht und die noch nicht abgekühlte Wassermenge im äußeren Wärmeträger­ kreislauf schnell verdrängen kann. Bei der zweiten Variante wird die Kälte nicht in Gestalt einer gespeicherten Wasser­ menge 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 mit Wasser ge­ speisten Wärmeträgerkreislaufs für den Betrieb bei der ersten Variante eine direkte und bei der zweiten Variante eine indi­ rekte Wärmeträgerkopplung vorgesehen ist.

Jeder auf Wasser beruhende Wärmeträgerkreislauf hat auch unabhängig von der Anordnung eines besonderen Speicher­ volumens eine eigene Speicherkapazität entsprechend dem inne­ ren Volumen des Kreislaufes. Der bei der ersten Variante ge­ wählte Wert der spezifischen Wärmekapazität, die durch die Anordnung eines zusätzlichen Speichervolumens gewonnen werden kann, liegt deutlich über den konventionellen Werten von Wär­ meträgerkreisläufen bei Klimatisierungsanordnungen der hier in Frage stehenden Art ohne das zusätzliche Speichervolumen. Anstelle des Wertes von 10 Wh/K kann man je nach den Einbau­ bedingungen im Nutzfahrzeug vorzugsweise auch Schwellwerte des Zweifachen, Dreifachen, Vierfachen oder Fünffachen des angegebenen Schwellwerts von 10 Wh/K einsetzen. Diese ange­ gebenen höheren Werte sind stufenweise bevorzugt bzw. noch mehr bevorzugt.

Die Ansprüche 4 und 5 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 Kreis­ lauf gesondert betreiben, um beispielsweise bei der Bereit­ stellung der Kühlenergie im inneren Kreislauf den äußeren Kreislauf für andere Zwecke zu benutzen, wie etwa für Hei­ zungszwecke. Hierzu kommuniziert der Wärmeträgerkreislauf zweckmäßig in abschaltbarer Weise mit dem Kühlkreislauf eines wassergekühlten Antriebsmotors des Nutzfahrzeugs, so daß auch der Wärmeträger dann üblicherweise gleich ist, d. h. im allge­ meinen eine Mischung aus Wasser und Glykol. Die andere Vari­ ante bezieht die Möglichkeit ein, den äußeren Kreislauf gege­ benenfalls bei der Bereitstellung von Kälteenergie im inneren Kreislauf totzulegen und erst unter Erweiterung der Durch­ strömung aus dem inneren Kreislauf auch noch in den äußeren Kreislauf für die eigentliche Kühlung des Nutzfahrzeugs mit einzubeziehen.

Anspruch 6 beschreibt bevorzugte Einbaubedingungen der ersten Variante, bei der nicht nur der Kältemittelkreis­ lauf, sondern auch der innere Kreislauf des Wärmeträger­ kreislaufs zu einer im Stauraum des Nutzfahrzeugs einsetzba­ ren Baueinheit zusammengefaßt sind. Gegebenenfalls kann man aber auch den ja umwelttechnisch nicht kritischen inneren Kreislauf noch bis in Nutzbereiche des Nutzfahrzeugs hin füh­ ren.

Die Ansprüche 8 bis 11 beschreiben bevorzugte Aus­ gestaltungen des Kältespeichers und seiner phasenumwandelnden Masse.

Bei Nutzfahrzeugen und insbesondere Omnibussen hat man bisher als Verdichtereinrichtungen typischerweise einen einzigen leistungsstarken und relativ großen Verdichter ein­ gesetzt, zumal im Stauraum für seinen Einbau hinreichend Platz ist. Derartige Verdichter sind jedoch schon wegen ihrer relativ kleinen Stückzahl sehr teuer. Die Erfindung sieht demgegenüber in Weiterbildung vor, daß die Verdichtereinrich­ tung mehrere Verdichter aufweist, die alle von dem Antriebs­ motor antreibbar sind. Dann kann man statt des einen Verdich­ ters mehrere Verdichter kleinerer Dimensionierung und Lei­ stung einsetzen, wie sie relativ preiswert als Verdichter für Personenkraftwagen zur Verfügung stehen. Es hat sich gezeigt, daß die Aufteilung der Verdichterleistung auf mehrere derar­ tige kleinere Verdichter eine deutliche Kosteneinsparung be­ deutet und auch eine bessere Anpassung an Raumverhältnisse bedeuten kann. Zusätzlich kann man in bevorzugter Weise die Verdichter einzeln in den Kreislauf zuschalten und so be­ darfsweise die Kühlleistung stufenweise schalten.

Alle diese einzelnen Verdichter können wie im be­ kannten 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.

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 einzubezie­ hen.

Zu dieser Verwendung einer konventionellen Zusatz­ standheizung bietet Anspruch 17 unter Ausnutzung der schon vorhandenen Komponenten in der Einbaueinheit eine Alternative unter Verwendung lediglich eines zusätzlichen Hilfsmotors in­ nerhalb der Einbaueinheit, welcher bei geeigneter Schaltung eine Umkehr des Kältemittelkreislaufs bewirken kann, so daß dieser je nach Strömungsrichtung als kälteerzeugender Kreis­ lauf oder als wärmeerzeugende Wärmepumpe wirksam werden kann.

Ejektoren sind an sich bevorzugte Ausbildungen von Fixdrosseln für den Zweck, daß man eine ausgeprägte Drucker­ höhung in durch den Ejektor geleiteten Fluidstrom erhalten möchte, im vorliegenden Zusammenhang zwischen dem Ausgang der Kältemittel/Wasser/Wärmetauscheinrichtung und dem Eingang und der Verdichtereinrichtung. Anspruch 18 macht den Ejektor in anderer Weise nutzbar, nämlich als Umwälzpumpe in einem loka­ len Kältemittelkreislauf von dem in bezug auf die Verdich­ tereinrichtung saugseitigen Sammler über die Kältemit­ tel/Wasser/Wärmetauscheinrichtung durch den Ejektor wieder zum Eingang des Sammlers. Dabei kann man den Ejektor in einem anderen als sonst üblichen Bereich seiner Kennung auslegen oder betreiben, da für die genannte Umwälzung in dem lokalen Kreislauf keine großen Druckhöhen erzeugt werden müssen. Ins besondere dann, wenn die Verdichtereinrichtung vom Antriebs­ motor des Nutzfahrzeugs angetrieben wird, erfolgt der Antrieb naturgemäß mit wechselnden Drehzahlen und damit mit wechseln­ den Massenströmen, was bei einem Ejektor, durch die ein inne­ res Wärmetauschfluid mit zwei Phasen eingeleitet wird, zu kritischen Betriebsbedingungen dann führen könnte, wenn man auf die Normalfunktion der Nutzung des Ejektors mit großer Drucküberhöhung abstellt. Im vorliegenden Zusammenhang wird jedoch das erwünschte Ziel erreicht, der Kältemittel/Wasser- Wärmetauscheinrichtung praktisch nur flüssige Phase des Käl­ temittels zuführen zu können.

Da man in dem genannten Sammler sowieso eine Pha­ sentrennung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Käl­ temittels vornimmt, bietet es sich gemäß Anspruch 19 an, in­ dem man im Bereich der flüssigen Phase zusätzlich die auch sonst üblicherweise erforderliche Trocknerpatrone anordnet, zum Beispiel, wie in Fig. 6 gezeigt, im Sammler selbst. Da­ durch erhöht sich im übrigen auch die Trocknerleistung bei gleich eingesetzter Trockenmittelmenge im Vergleich zum Ein­ bau eines Trockners in sonst üblicher Weise in der Flüssig­ keitsleitung in Strömungsrichtung hinter dem Verflüssiger.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati­ scher Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch nä­ her erläutert. 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 Kältemit­ telkreislauf;

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 Längserstrec­ kung zu beiden Seiten des Daches Dachkanäle 62 vorhanden. In den Dachkanälen selbst bzw. auf dem Dach sind Geräte zur Kli­ matisierung des Nutzraumes 10 eingebaut, die neben Einrich­ tungen zur Filterung, Förderung und Lenkung der Luft auch ei­ nen 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 Motorventil 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 gemäß 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 Flüssigkeitsleitung 74 einer Düse 112 im Ejektor 40 zugeführt. Durch die starke Querschnittsverengung in der Düse 112 wird das Kältemittel vom Verflüssigungsdruck 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 Diffusor 116 ein, in dem die hohe Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls wieder abgebaut wird. Der Diffusor 116 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 Diffusor 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 gemäß 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 (20)

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 und für Kühlzwecke über eine Kältemittel/Wasser-Wärme­ tauscheinrichtung (14) im Wärmetausch mit einem Kältemittel­ kreislauf (16) steht und für Heizungszwecke insbesondere im Strömungsumlauf mit dem Wasserkühlungskreislauf (12) des An­ triebsmotors (60) kommuniziert, während für Kühlzwecke der Wärmeträgerkreislauf (2) vom Wasserkühlungskreislauf (12) des Antriebsmotors (60) abgekoppelt zirkulierbar ist, und wobei insbesondere der Kältemittelkreislauf (12) außerhalb des Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs angeordnet ist und dessen Verdichtereinrichtung (18) von dem Antriebsmotor (60) an­ treibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittel/Wasser-Wärmetauscheinrichtung (14) einen Plattenverdampfer (36) aufweist, der mit einer Kältemitteldrosselung über eine Fixdrossel (38) und mit einem saugseitigen Kältemittelsammler (42) versehen ist.

2. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixdrossel eine Ejektordüse (40) ist.

3. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (2) in einen für die Klimatisierung des Nutzraums (10) des Nutzfahr­ zeugs vorgesehenen äußeren Kreislauf (4) und in einen inneren Kreislauf (6) unterteilbar ist, und daß in den inneren Kreislauf (6) ein Wasserspeicher (20) mit einem solchen Spei­ chervolumen einbezogen ist, daß die spezifische Wärmekapazi­ tät des inneren Kreislaufs (6) mindestens 10 Wh/K beträgt.

4. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser im äußeren Kreislauf (4) und das Wasser im inneren Kreislauf (6) unabhängig zirkulierbar sind.

5. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (2) im Betrieb sowohl den äußeren Kreislauf (4) als auch den inneren Kreislauf (6) mitsamt Speicher (20) durchläuft.

6. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, 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.

7. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittel/Wasser-Wärme­ tauscheinrichtung (14) als Kältespeicher (24) ausgebildet ist, bei dem sowohl der Kältemittelkreislauf (16) als auch der Wärmeträgerkreislauf (2) im Wärmetausch mit einer phasen­ wandelnden Masse (26) stehen.

8. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenwandelnde Masse (26) eine La­ tentwärme speichernde Masse ist.

9. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Latentwärme speichernde Masse (26) Wasser mit einem Sprengwirkung durch Ausdehnung verhindernden Zusatz ist.

10. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz eine kleinere Menge Glykol als ein Glykolzusatz im Kühlwasser ist.

11. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wasser/Luft-Wärme­ tauscheinrichtung eine metallische Wärmeleitverbindung (28) zwischen dem Kältemittelkreislauf (16) und dem Wärmeträger­ kreislauf (2) ausgebildet ist.

12. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.

13. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilatoreinrich­ tung (32) für die Luftkühlung des Verflüssigers (34) des Käl­ temittelkreislaufs (16) von dem Antriebsmotor (60) antreibbar 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 Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch Einbeziehung eines Hilfsmotors (58) für den mechanischen Antrieb des Verdichters (30) und des Venti­ lators (32) des Kältemittelkreislaufs (16) für Standkühlung und/oder Standheizung, letztgenannter Fall bei entsprechender Verrohrung und Umkehr der Kältemittelflußrichtung im Kälte­ mittelkreislauf (16) als Wärmepumpe.

18. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 2 und gege­ benenfalls einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ejektor (40) für die Umwälzung von 100% flüssi­ gem Kältemittel durch den Plattenverdampfer (36) ausgelegt ist.

19. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phase des Kältemittels aus einem in bezug auf die Verdichtereinrichtung (18) saugseiti­ gen Sammler (42) über eine Trocknerpatrone (108) dem Platten­ verdampfer (36) zugeleitet ist.

20. Klimatisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreislauf (16) in kompakter Bauweise ausgebildet ist.