DE19536973C2 - Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse - Google Patents

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.

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.