DE19536974C1 - Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse - Google Patents
Klimatisierungsanordnung für Nutzfahrzeuge, insbesondere OmnibusseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft 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
lichen 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 Klimatisierungsan
ordnung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der solche
Nachteile behoben werden sollen. Die Erfindung geht im Ober
begriff von Anspruch 1 von dieser vorbeschriebenen
Klimatisierungsanordnung 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 konven
tionellen Anordnung zu beheben, da der außerhalb des Nutz
raums anordbare Kältemittelkreislauf mit kürzeren Leitungs
verbindungen 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
ist nur ein einziger, nicht vom Kraftfahrzeugmotor angetrie
bener Verdichter vorgesehen.
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 DE 38 03 439 A1 aus. Solche Merkmale im
Oberbegriff, die von der Erfindung gemäß Anspruch 1 nicht
betroffen sind, sind dabei nur fakultativ mit "insbesondere"
aufgeführt und sind zum Teil von Unteransprüchen betroffen.
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.
Bei Inbetriebnahme eines Nutzfahrzeugs bedarf es
regelmäßig einer hohen Anfangskälteleistung zum Überwinden
der Trägheit der Masse des Nutzfahrzeugs und zum möglichst
schnellen Herunterkühlen auf eine gewünschte relativ niedrige
Innenraumtemperatur. Danach wird zum Aufrechterhalten dieses
Sollwerts der Innenraumtemperatur nur noch eine relativ ge
ringe Kälteleistung benötigt.
Legt man nun bei Verdichtereinrichtungen mit nur
einem Verdichter die Verdichterleistung auf die maximal er
forderliche Kälteleistung aus, so ist bei abgekühltem Fahr
zeug und damit stark reduzierter Kälteleistung die Verdich
terleistung erheblich zu groß. Da bei Busverdichtern nach dem
Stand der Technik eine Leistungsregelung nicht üblich ist,
hat dies einen getakteten Betrieb des Verdichters zur Folge,
der für die Lebensdauer des Verdichters sich negativ aus
wirkt. Verwendet man jedoch gemäß den kennzeichnenden Merkma
len von Anspruch 1 eine Verdichtereinrichtung mit mehreren
gesondert zuschaltbaren Verdichtern, so kann die Gesamtlei
stung der Verdichter auf die maximale Kälteleistung bei Be
ginn der Abkühlung ausgelegt werden. Die Anpassung an den re
duzierten Kälteleistungsbedarf nach Erreichen der Innenraum
temperatur wird in diesem Fall über die Abschaltung von ein
zelnen Verdichtern bewirkt, ohne daß die noch in Betrieb be
findlichen Verdichter mit unzulässig kurzen Taktzeiten zum
Anpassen der Leistung betrieben werden müssen. Auf diese
Weise kann ohne Beeinträchtigung der Verdichterlebensdauer
die Verdichterleistung auf den maximalen Leistungsbedarf beim
Beginn der Abkühlung ausgelegt werden, so daß die Ansprechge
schwindigkeit gegenüber konventioneller Auslegung wesentlich
verbessert wird.
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 der zweiten
Variante nach den Ansprüchen 7 bis 11 andererseits ist demge
genüber, mit dem Kühlvorgang bereits vor Beginn der gewünsch
ten Abkühlung zu starten und in der dadurch gewonnenen Vor
laufzeit bereits Kühlenergie zu speichern, die dann bei Be
darf der Kühlleistung mit abgerufen werden kann. Hierzu sieht
die erste Variante vor, bereits einen Großteil des als
Wärmeträger dienenden Wassers in einem inneren Kreislauf vor
zukühlen 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 Wärmeträgerkreislauf
schnell verdrängen kann. Bei der zweiten Variante wird die
Kälte nicht in Gestalt einer gespeicherten Wassermenge be
reitgestellt, sondern durch Vorkühlung einer eine Phasenum
kehr 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 gespeisten
Wärmeträgerkreislaufs für den Betrieb bei der ersten Variante
eine direkte und bei der zweiten Variante eine indirekte Wär
meträgerkopplung verwendet wird.
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.
Wenn man ferner einen Plattenverdampfer mit relativ
großer wirksamer Fläche mit einer Kältemitteldrosselung über
eine vorzugsweise als Ejektordüse wirkende Fixdrossel kop
pelt, kann man die Verdampferleistung durch optimale Flächen
beaufschlagung mit flüssigem Kältemittel in die Nähe des
theoretischen Maximums steigern und so im Vergleich mit be
kannten Verdampferbauarten 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 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.
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 Seitenan
sicht mit schematischer Darstellung der erfindungsgemäßen
Klimatisierungsanordnung. Bei solchen Reisebussen sind in
Längserstreckung zu beiden Seiten des Daches Dachkanäle 62
vorhanden. In den Dachkanälen selbst bzw. auf dem Dach sind
Geräte zur Klimatisierung des Nutzraumes 10 eingebaut, die
neben Einrichtungen zur Filterung, Förderung und Lenkung der
Luft auch einen Wärmetauscher beinhalten, durch den die Um
luft 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 von einer Verdichtereinrichtung 18 über die
Heißgasleitung 72 dem Verflüssiger 34 zugeführt wird, den das
Kältemittel nach Verflüssigung durch die Flüssigkeitsleitung
74 wieder verläßt. Die Verdichtereinrichtung 18 weist meh
rere Verdichter 30 auf, was in den Fig. 2 und 3 nur sche
matisch angedeutet ist. Im Sammler 76 erfolgt die Gasabsonde
rung und Flüssigkeitsspeicherung 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 Aggregatzustandes 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 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 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
420rEintritt 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 ent
hitzt und dann verflüssigt wird. Dadurch wird der Wärmeträ
gerkreislauf 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 selbständige 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 (18)
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 Heizungszwecke im Strömungsumlauf mit dem Was
serkühlungskreislauf (12) des Antriebsmotors (60) des Nutz
fahrzeugs kommuniziert, wobei für Kühlzwecke der Wärmeträger
kreislauf (2) vom Wasserkühlungskreislauf (12) des Antriebs
motors (60) abgekoppelt zirkulierbar und über eine Kältemit
tel/Wasser-Wärmetauscheinrichtung (14) im Wärmetausch mit ei
nem Kältemittelkreislauf (16) steht, der insbesondere außer
halb des Nutzraums (10) des Nutzfahrzeugs angeordnet ist und
dessen Verdichtereinrichtung (18) insbesondere von dem An
triebsmotor (60) antreibbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verdichtereinrichtung (18) mehrere Verdich
ter (30) aufweist, die alle von dem Antriebsmotor (60) an
treibbar sind.
2. Klimatisierungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verdichter (30) in den Kältemittel
kreislauf (16) gesondert zuschaltbar sind.
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 Speichervolumen einbezogen ist, daß
die spezifische Wärmekapazität 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 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 Anspruch 13 oder 14,
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 einem der Ansprüche 1
bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreislauf
(16) in kompakter Bauweise ausgebildet ist.
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