DE3834387C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Innenraumes von Kraftfahrzeugen. Hierzu ist es bekannt, eine Einrichtung zum Kühlen und eine Einrichtung zum Beheizen des Kraftfahrzeuginnenraumes voneinander unabhängig anzuordnen. Die Kühlung erfolgt in der Regel durch eine Kompressionskälteanlage, deren Verdampfer - einer oder mehrere - so angeordnet sind, daß Kaltluft durch Gebläse in den Innenraum geführt werden kann. Hierzu sind, insbesondere bei Omnibussen, oft sehr lange, mit vielen Verbindungen zu montierende Rohrleitungen für das flüssige und das gasförmige Kältemittel erforderlich. Dies ist Anlaß zu häufigen Undichtigkeiten, also zu Kältemittelverlust und Funktionsunfähigkeit; oder es gibt Schwierigkeiten mit der Ölrückführung zum Kompressor.

Die Heizung des Innenraumes erfolgt durch Wärmetauscher - einen oder mehrere - durch die das Glykol-Wassergemisch des Motorkühlwasserkreislaufes zirkuliert. Es ist eine Eigenheit solcher Heizeinrichtungen, daß sich durch den hohen Anteil von Glykol im Kühlwasser, das noch mit antikorrosiven Zusätzen versehen ist, an den Innenwänden der Wärmetauscherrohre nach einigen Stunden Betriebszeit ein gallertartiger Belag bildet, der den Wärmeübergang von Heizmedien an die Rohrinnenwand stark beeinträchtigt. Leistungsmessungen an Heizungswärmetauschern für PKW haben gezeigt, daß sich bereits nach 15 bis 20 Stunden Meßzeit die zu Meßbeginn gemessenen Leistungen um 10-15% verschlechtert haben. In dieser Zeit hat sich die schleimige Schicht an den Rohrinnenwänden aufgebaut. Um den Wärmeübergang zu verbessern, werden die Rohre des Motorkühlers und des Heizungswärmetauschers bei PKWs entweder mit so geringen Rohrinnendurchmesser oder sehr flachen Profilrohren versehen, daß die Strömung des Heizmediums in den Rohren die Ausbildung einer zu dicken Gallertschicht verhindert.

Bei größeren Rohrinnendurchmessern werden zum gleichen Zweck sogenannte Turbulatoren - Blechspiralen, Blechstreifen mit abwechselnd seitlich abstehenden Zungen, etc. - in die Rohre eingesetzt. Bei Bussen, bei denen stets mehrere Heizkörper vorhanden sind, deren Rohrdurchmesser im Vergleich zu PKW-Heizkörpern groß ist, können wegen der Größe der Heizkörper keine Turbulatoren eingesetzt werden, da sonst der wasserseitige Druckverlust für den Motorkühlwasserkreislauf zu hoch wäre.

Es sind auch noch Ausführungen von Anlagen zum Heizen und Kühlen bekannt, bei denen ein Wasserkreislauf unmittelbar im Wärmeaustausch mit einem zum Kältemittelkreislauf gehörenden Wärmetauscher steht. Beim Gegenstand der DE-OS 22 33 947 wird im Heizbetrieb das im wassergekühlten Kondensator vorhandene flüssige Kältemittel durch das durch den Kondensator strömende Kühlwasser verdampft, in den Verdampfer geleitet und dort unter Wärmeabgabe verflüssigt. Es handelt sich, wie aus Seite 6 unten und Seite 7 oben zu entnehmen ist, "um eine Kombination eines Kältekreislaufs für die Kühlaufgabe und eines Kondensationskreislaufs für die Heizaufgabe." Beim Gegenstand der DE-OS 23 64 020 ist zwar wiederum der Kondensator wassergekühlt, zum Heizen wird jedoch dem Verdampfer ein zusätzliches Heizregister zugeordnet.

Die DE-OS 21 01 955 zeigt die Verwendung eines Kaltwassersatzes zur Kühlung des Fahrgastraumes eines Omnibusses, der primär die Aufgabe hat, lange Kältemittelleitungen zu vermeiden. Die Einrichtung gemäß der o. g. DE-OS besteht lediglich aus dem Kaltwassersatz (mit den Hauptteilen Kompressor, Verflüssiger und Verdampfer) sowie aus den Heizungswärmetauschern im Fahrgastraum. Im Kühlfall für den Fahrgastraum wird der Kühlkreis des Motors abgekuppelt und der Inhalt des verbliebenen Teils des Heizkreises gekühlt. Wenn während der Fahrt der Kühlbedarf entfällt, und auf Heizung umgeschaltet wird (z. B. wenn in der kalten Jahreszeit die Klimaanlage eingeschaltet wurde um die Innenseiten beschlagener Scheiben zu entfeuchten etc.), wird schockartig sehr kaltes Kühlmedium in Richtung Motorkühlkreislauf transportiert, wobei über die Leitung 5 sowohl der Motorkühler, als auch der Motor von plötzlich zuströmenden, sehr kalten Kühlmedien beaufschlagt wird. Unter Umständen mit Mediumtemperatur unter dem Gefrierpunkt. Die Folgen für das Material liegen auf der Hand. Auch ein Betrieb der Anlage mit einer Mischung aus gleichzeitigem Heizen und Kühlen ist bei diser Einrichtung erfolglos, da stets die volle Motorabwärme in den Kreislauf abgegeben werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Kfz-Innenraumes der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie leistungsfähiger, wartungsfreundlicher und sicherer gegen Störungen ist, und außerdem die Möglichkeit besteht, ohne Schwierigkeiten gleichzeitig Heizen und Kühlen zu können.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein gemeinsamer Heiz- und Kühlkreislauf verwendet, in welchem ein Kältemittelverdampfer einer Kompressor-Kälteanlage sowie ein mit dem Motorkühlmittel beaufschlagbarer Heizungs-Wärmetauscher nacheinander von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt werden.

Das flüssige Heiz/Kühlmittel wird vorzugsweise in einem als Kompaktanlage vormontierten Aggregat temperaturmäßig aufbereitet, - geheizt und/oder gekühlt -, das den Kältekompressor Kondensator, Verdampfer, Heizungswärmetauscher, sowie die Regeleinrichtungen des Kälte- und des Heizkreislaufs und die Umwälzpumpe für das Heiz/Kühlmittel enthält. Das flüssige Heiz/Kühlmittel ist vorzugsweise eine Sole, die auch Korrosionsschutzmittel enthält. Hierdurch wird es möglich, den Heizungswärmetauscher, der primär vom Glykol-Wassergemisch des Motorkühlwasserkreislaufs und sekundär vom Heiz/Kühlmittel (Sole) durchströmt wird, so zu gestalten, daß der gallertartige Belag an den Rohrinnenwänden wirkungsvoll verringert wird. Die Wärmeübertragung vom Motorkühlwasserkreislauf auf den Heiz/Kühlmittel-Kreislauf ist zwar mit Verlusten verbunden, jedoch werden diese Verluste durch die Einrichtung gemäß der Erfindung mehr als kompensiert, nämlich

• - erstens durch die erwähnte wirkungsvolle Konstruktion des Heizungswärmetauschers, bei dem in diesem Falle Turbulatoren oder geeignete Rohrquerschnitte verwendet werden können,
• - zweitens dadurch, daß alle Wärmetauscher im Innenraum des Kraftfahrzeuges von Sole durchströmt werden, wodurch sich an den Rohrinnenwänden kein gallertartiger Belag bildet, welcher den Wärmeübergang sonst stark vermindern würde,
• - drittens dadurch, daß - weil der Heiz/Kühl-Kreislauf von Sole durchströmt wird - auch keine Vereisungsgefahr des Verdampfers besteht, wie bei bisherigen von Luft durchströmten Lamellenverdampfern, bei denen zusätzliche Standzeiten der Kälteanlage erforderlich sind, wenn der Verdampfer zuviel Eis angesetzt hat und
• - viertens dadurch, daß wegen drittens mit tieferer Verdampfungstemperatur gearbeitet werden kann, so daß die größere Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und Soletemperatur zu einer höheren Wärmeübertragung führt.

Sowohl der Verdampfer als auch der Heizungswärmetauscher werden vorzugsweise als Doppelrohr-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgeführt, die in einer platzsparenden Weise, z. B. spiralförmig, verformt sind. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Wärmetauscherkonstruktionen möglich.

Es ist vorteilhaft, wenn diese beiden Wärmetauscher in eine Isolierung eingebettet werden, die z. B. ein geschlossenporiger Polyurethan-Schaumstoff sein kann.

Das Aggregat zur temperaturmäßigen Aufbereitung des Heiz/Kühlmittels kann z. B. im Heck-Motorraum eines Busses neben dem Motoraggregat angeordnet werden, wobei der Kältekompressor über Keilriemen vom Motor angetrieben wird, meist unter Verwendung einer Keilriemenscheibe mit Magnetkupplung. Der Heizungswärmetauscher wird vorzugsweise so auf dem Aggregat angeordnet, daß er möglichst nahe am Motoraggregat plaziert ist, um Wärmeverluste durch lange Rohrleitungen zu vermeiden.

Bei Kraftfahrzeugen, bei denen es aus Platzgründen nicht möglich ist, ein kompaktes, vormontiertes Aggregat zur temperaturmäßigen Aufbereitung des Heiz/Kühlmittels unterzubringen, werden die Komponenten entsprechend den Platzverhältnissen eingebaut, was jedoch nichts am Konzept der Einrichtung gemäß der Erfindung ändert.

Bei langen Zuleitungen vom Aggregat zur Temperaturaufbereitung bis zu den Wärmetauschern im Fahrgastraum, wie es bei Bussen der Fall sein kann, ist es vorteilhaft, diese Leitungen zu isolieren, um Wärmeverluste zu vermeiden und im Kühlbetrieb bei hoher relativer Luftfeuchte ein "Schwitzen" der Rohre zu verhindern.

An Hand der Zeichnungen sind Erfindungsgedanke und ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt und erläutert:

Fig. 1 ein Kreislaufschema gemäß der Erfindung, Kreisläufe der verschiedenen Strömungsmedien und der wichtigsten Kreislaufelemente,

Fig. 2 den Aufbau eines kompakten Aggregates zur Temperaturaufbereitung,

Fig. 3 die mögliche Anordnung der Heiz- und Kühleinrichtung gemäß der Erfindung in einem Bus.

In Fig. 1 ist der gemeinsame Heiz/Kühl-Kreislauf mit 1 bezeichnet. Dieser Kreislauf ist ein Solekreislauf. Die Sole kann in einem Verdampfer 2 gekühlt und in einem Heizungswärmetauscher 3 erhitzt werden. Der Verdampfer 1 ist in einem Kältekreislauf angeordnet, in dem sich der Kältekompressor 4 der Kondensator 5 und die Drosselstelle 6 befinden, die aus einem thermostatischen Einspritzventil oder einer sogenannten "fix-orifice" bestehen kann. Der Heizungswärmetauscher 3 befindet sich zusätzlich in einem Kreislauf 17, der vom flüssigen Kühlmittel des Motors abgezweigt ist und in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch enthält. Bei 8 ist der Anschluß an das Motor-Aggregat angedeutet. Bei 7 führt der Heiz/Kühl-Kreislauf zu dem oder den Wärmetauschern im Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges. Wie Fig. 2 zeigt, können ggf. alle Komponenten, die zur Erzeugung der im Fahrgastraum gewünschten Temperaturen erforderlich sind, in einem als Kompaktanlage vormontierten Aggregat 15 zusammgefaßt werden. Dieses Aggregat enthält den Verdampfer, den Heizungswärmetauscher 3, den Kältekompressor 4, den Kondensator 5 mit einem Elektro-Ventilator 10, die Drosselstelle 6 des Kältekreislaufes (hier als Blockventil angedeutet), den kombinierten Kältemittelsammler-Trockner 9, ein Magnetventil 11, einen Durchflußmengenregler 12 im Wasser-Glykol-Kreislauf der Motorkühlung und eine elektronisch gesteuerte Regeleinheit 13, sowie eine Umwälzpumpe 27 für den Heiz/Kühl-Kreislauf 1. Der Kompressor des Kältekreislaufs wird über einen Keilriemen 16 vom daneben angeordneten Motor-Aggregat, eventuell unter Verwendung einer Keilriemenscheibe mit Magnetkupplung angetrieben. Der Verdampfer 2 und der Heizungswärmetauscher 3 sind vorzugsweise als Doppelrohr-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgeführt, welche in einer geeigneten platzsparenden Weise verformt sind, z. B. in Form einer Spirale. Beide Wärmetauscher 2 und 3 sind in eine Isolierung 14 eingebettet, welche z. B. ein geschlossenporiger Polyurethan-Schaumstoff sein kann. Sie werden nacheinander, und zwar in der Reihenfolge 3-2 von der Sole im Kreislauf 1 durchströmt, wobei sich der Wärmetauscher 3 näher am Motor-Aggregat befindet.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen Heiz- und Kühl-Einrichtung in einem Bus mit im Heck angeordnetem Motor-Abteil (mit 16 ist die Fahrtrichtung "vorwärts" bezeichnet). Neben dem Aggregat 15 zur Temperaturaufbereitung ist das Motor-Aggregat 25 angeordnet. Zwischen beiden zirkuliert der Kreislauf 17. Der Kreislauf 1 führt, falls erforderlich, in einen Verteiler 19, von den Rohrleitungen zu den einzelnen Wärmetauschern im Innenraum (Fahrgastraum), z. B. 20 und 21 auf der rechten Fahrzeugseite, 23 und 24 auf der linken Seite, sowie 22 im Bug (Bugheizer) geführt sind.

Die Wärmetauscher 20 bis 24 dienen sowohl der Heizung als auch der Kühlung des Fahrgastraumes. Durch gleichzeitiges und entsprechend dosiertes Betreiben der Wärmetauscher 2 und 3 können auch alle Temperaturen zwischen max. Heizen und max. Kühlen eingestellt werden.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Innenraumes von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Bussen, mit einem mit Wärmetauschern (3) im Fahrgastraum verbundenen gemeinsamen Heiz/Kühl-Kreislauf (1), in welchem ein Kältemittelverdampfer (2) einer Kompressor-Kälteanlage sowie ein mit dem Motorkühlmittel beaufschlagbarer Heizungs- Wärmetauscher nacheinander von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Heiz/Kühlmittel auch bei tiefen Temperaturen frostsicher ist und insbesondere eine Sole ist, die vorzugsweise ein Korrosionsschutzmittel enthält.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und Kühlkomponenten in einem vormontierten Aggregat (15) vereinigt sind, das den Kältekompressor (4), den Kondensator (5), den Verdampfer (2), den Heizungs-Wärmetauscher (3), alle Regeleinrichtungen für Heizung und Kühlung (6), (11), (12), (13) sowie die Umwälzpumpe (27) für das gemeinsame Heiz/Kühlmittel enthält.

4. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Verdampfer (2) als auch der Heizungs-Wärmetauscher (3) als Doppelrohr-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (2) und der Heizungs-Wärmetauscher (3) jeweils in eine Isolierung (14) eingebettet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Heiz/Kühlmittels durch Beeinflussung der Leistung der Wärmetauscher (2) und (3) stufenlos auf eine beliebig vorgegebene Temperatur im Bereich zwischen maximaler Kühlung und maximaler Heizung einstellbar ist.