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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums nach dem Patentanspruch 16.
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Als Wärmequellen zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums stehen bei einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb neben dem Elektromotor/Generator noch die Leistungselektronikbauteile zur Verfügung, die in der Regel über einen gemeinsamen Kreislauf geschaltet sind. Aus Effizienzgründen ist die Verlust-/Abwärme dieser Bauteile jedoch begrenzt und auf einem verhältnismäßig niedrigen Temperaturniveau. Ein Heizen, wie es aus heutigen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt ist, ist damit in der Übergangszeit zwischen Sommer und Winter nur sehr begrenzt möglich.
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Gängige Konzepte sehen daher eine zusätzliche Elektroheizung vor, bei der aus der Hochvoltbatterie elektrische Energie entnommen wird, um etwa Hochvolt-PTC-Heizelemente zu erwärmen. Insbesondere bei Verwendung eines Li-Ion-Akkumulators als Fahrbatterie erfolgt dies jedoch zu Lasten der Reichweite, die beim Einsatz solcher Elektroheizelemente drastisch sinkt. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die Leistungsfähigkeit von Li-Ion-Akkumulatoren bei kalten Umgebungsbedingungen, also wenn großer Heizbedarf besteht, stark reduziert ist, das heißt, dass durch den Anstieg des Innenwiderstands der Energieumschlag verlangsamt wird. Die gleiche Problematik gilt eingeschränkt auch für sogenannte Plug-in-Hybridfahrzeuge.
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Aus der
DE 39 35 305 A1 ist eine gattungsgemäße Heizeinrichtung zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeuges bekannt. Das Kraftfahrzeug weist einen Kühlmittelkreislauf auf, in dem eine Brennkraftmaschine sowie ein Latentwärmespeicher geschaltet ist, der im Kühlmittelkreislauf leicht abtrennbar eingeordnet sowie leicht entfernbar beispielsweise im Kofferraum des Kraftfahrzeuges montiert ist. Auf diese Weise kann während eines Fahrbetriebes die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme auf das Kühlwasser übertragen werden, das den Latentwärmespeicher durchströmt. Die so im Latentwärmespeicher gespeicherte Wärme sorgt unter anderem dafür, dass nach einer bestimmten Stillstandzeit des Fahrzeuges unverzüglich nach einem Motorkaltstart Warmluft für eine Scheibenentfrostung und/oder für eine Beheizung des Fahrzeuginnenraums temporär bereitgestellt werden kann.
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Die Verwendung des Latentwärmespeichers ist dabei auf ein mit einer Brennkraftmaschine betriebenes Fahrzeug beschränkt. Der Einsatz des Latentwärmespeichers bei Fahrzeugen mit reinem oder teilweisem elektrischen Antrieb ist demgegenüber auf Grund der nur sehr begrenzt vorhandenen Abwärme elektrischer Antriebskomponenten nicht möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Heizeinrichtung sowie ein Verfahren zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeuges, insbesondere mit elektrischem Antrieb, bereitzustellen, bei dem das Beheizen des Fahrzeuginnenraums während der Fahrt ohne Belastung für die für den elektrischen Antrieb vorgesehene Fahrbatterie erfolgt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruche 1 oder des Patentanspruches 16 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist dem Latentwärmespeicher ein elektrisches Heizelement zugeordnet, mit dem der Latentwärmespeicher zur Wärmespeicherung aufheizbar ist. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt somit das Aufheizen des Wärmespeichers nicht durch die Abwärme von Antriebskomponenten, etwa einer Brennkraftmaschine, sondern durch eine elektrische Energieversorgung insbesondere vom Stromversorgungsnetz, also unabhängig von der Abwärme der im Fahrzeug vorhandenen Antriebskomponenten. Hierbei ist hervorzuheben, dass das elektrische Heizelement über die Bordversorgung oder alternativ über Netzspannung mit elektrischer Energie versorgbar ist.
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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen üblicher Weise ein bordeigenes Ladegerät auf, das an einer Ladestation an das Stromversorgungsnetz anschließbar ist. Auf diese Weise wird der, einer Elektromaschine zugeordnete Akkumulator des Fahrzeuges über das bordeigene Ladegerät mit elektrischer Energie versorgt. Gegebenenfalls erfolgt zusätzlich eine Vorkonditionierung des Akkumulators über Heizelemente, die ebenfalls vom Ladegerät angesteuert werden können.
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Erfindungsgemäß kann zusätzlich auch das elektrische Heizelement des Latentwärmespeichers in Signalverbindung mit dem bordeigenen Ladegerät sein. Auf diese Weise kann das Ladegerät während der Durchführung des Ladevorgangs auch das elektrische Heizelement aktivieren, damit der Latentwärmespeicher im Rahmen des Ladevorgangs aufgeheizt werden kann. Die Anordnung des Latentwärmespeichers in der Heizeinrichtung kann so gewählt sein, dass ein unmittelbarer Wärmeübergang vom Latentwärmespeicher in die, in den Fahrzeuginnenraum geführte Luftströmung ermöglicht ist. Es ist von Vorteil, wenn der Latentwärmespeicher in einem bereits vorhandenen, herkömmlichen Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs geschaltet wird. Auf diese Weise kann die Wärme vom Latentwärmespeicher über das Kühlmittel zum Heizungswärmetauscher übertragen werden und von dort weiter auf die Luftströmung in den Fahrzeuginnenraum übertragen werden.
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Im obigen Fall wird somit der Latentwärmespeicher von Kühlmittel durchströmt. In einer fertigungstechnisch besonders einfachen Ausführung kann zugleich auch das elektrische Heizelement als Wasserheizung in den Kühlmittelkreislauf geschaltet sein. Das elektrische Heizelement erwärmt somit zur Aufheizung des Latentwärmespeichers das den Latentwärmespeicher durchströmende Kühlmittel. Alternativ dazu kann jedoch das elektrische Heizelement auch in jeglicher anderen Ausführung das Aufheizen des Latentwärmespeichers vornehmen. Beispielhaft sei auf die Ausführung als eine Induktionsheizung hingewiesen, bei der das Aufheizen des Phasenwechselmaterials des Latentwärmespeichers durch Wirbelströme erfolgt.
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Dem oben erwähnten Grund-Kühlmittelkreislauf des Fahrzeuges können zusätzlich zum Latentwärmespeicher Antriebskomponenten des Fahrzeuges zugeschaltet sein, etwa die Elektromaschine, der Akkumulator und/oder weitere Leistungselektronikbauteile, etwa ein Wechselrichter oder ein DC/DC-Wandler. Die Antriebskomponenten sind dabei bevorzugt in Reihe im Kühlmittelkreislauf angeordnet.
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Wie oben bereits erwähnt, kann während des Ladevorgangs nicht nur ein Vorkonditionieren sowie Aufladen des Akkumulators und gegebenenfalls auch ein Vorkonditionieren des Fahrzeuginnenraums erfolgen, sondern zusätzlich auch die Aktivierung des elektrischen Heizelementes zum Aufheizen des Latentwärmespeichers. Für ein effektives Heizen des Fahrzeuginnenraums ist außerdem dafür Sorge zu tragen, dass die Abgabewärme des Latentwärmespeichers ausschließlich in den Fahrzeuginnenraum gelangen soll.
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Entsprechend den oben angegebenen Anforderungen können die Haupt- und Nebenkühlmittelkreisläufe in unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden, das heißt einem Aufheizen des Latentwärmespeichers, dem Vorkonditionieren des Fahrzeuginnenraums oder des Akkumulators sowie dem Aufladevorgang des Akkumulators oder dergleichen. Zur energieeffizienten Durchführung dieser Betriebsarten ist es besonders von Vorteil, wenn der Hauptkühlmittelkreislauf und der Nebenkühlmittelkreislauf voneinander unabhängige Kreisläufe sind, die strömungstechnisch vollständig entkoppelt sind. Auf diese Weise können die beiden Kühlmittelkreisläufe in den unterschiedlichen Betriebsarten gegebenenfalls auch zeitgleich betrieben werden. Beispielhaft kann mit dem Hauptkühlmittelkreislauf einerseits der Fahrzeuginnenraum bzw. der Akkumulator vorkonditioniert werden. Andererseits kann davon unabhängig im Nebenkühlmittelkreislauf der Aufheizvorgang für den Latentwärmespeicher stattfinden.
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Sowohl der Hauptkühlmittelkreislauf als auch der Nebenkühlmittelkreislauf sind wärmetechnisch über den Heizungswärmetauscher mit dem Fahrzeuginnenraum gekoppelt. Die wärmetechnische Koppelung erfolgt bevorzugt in einem an sich bekannten doppelreihigen Heizungswärmetauscher. Der doppelreihige Heizungswärmetauscher weist ein in den Hauptkühlmittelkreislauf geschaltetes Wärmetauscherelement und ein in den Nebenkühlmittelkreislauf geschaltetes Wärmetauscherelement auf, die voneinander strömungstechnisch separiert sind.
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Entsprechend können im Nebenkühlmittelkreislauf als Hauptkomponenten der Latentwärmespeicher und das oben erwähnte Wärmetauscherelement des Heizungswärmetauschers angeordnet sein. Der Nebenkühlmittelkreislauf kann außerdem zumindest ein Schaltelement aufweisen, das über die bordeigene Steuereinrichtung in unterschiedliche Schaltstellungen ansteuerbar ist.
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So kann das Schaltelement zum Aufheizen des Latentwärmespeichers in eine erste Schaltstellung verstellt sein, in der der Heizungswärmetauscher überbrückt ist, das heißt nicht von Kühlmittel durchströmt ist. In dieser Schaltstellung wird daher lediglich der Latentwärmespeicher von Kühlmittel durchströmt, das mittels des elektrischen Heizelementes erwärmt wird. Dadurch erfolgt ein beschleunigtes Aufheizen des Latentwärmespeichers, während eine Wärmeabgabe vom Nebenkühlmittelkreislauf in den Fahrzeuginnenraum unterbunden ist.
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Das im Nebenkühlmittelkreislauf angeordnete Schaltelement kann in eine zweite Schaltstellung verstellt werden, in der nicht nur der Latentwärmespeicher, sondern auch der Heizungswärmetauscher von Kühlmittel durchströmt wird. In diesem Fall kann Wärme vom Latentwärmespeicher über den Heizungswärmetauscher in den Fahrzeuginnenraum eingetragen werden. Zusätzlich zu der mit Hilfe des Latentwärmespeichers erfolgenden Erwärmung des Fahrzeuginnenraums können auch die in den Hauptkühlmittelkreislauf geschalteten Antriebskomponenten Wärme über den Heizungswärmetauscher in den Fahrzeuginnenraum übertragen, wie es an sich bekannter Stand der Technik ist.
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Zur Unterstützung der Wärmeübertragung in den Fahrzeuginnenraum können die Haupt- und Nebenkühlmittelkreisläufe jeweils eigene Umwälzpumpen aufweisen. Entsprechend kann das Kühlmittel im Nebenkühlmittelkreislauf unabhängig vom Kühlmittel im Hauptkühlmittelkreislauf umgewälzt werden.
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Durch die Separierung der beiden Haupt- und Nebenkühlmittelkreisläufe kann der Latentwärmespeicher entkoppelt im Fahrzeug stillgelegt werden. Eine solche Stilllegung des Latentwärmespeichers kann im Frühjahrsbetrieb bei höheren Umgebungstemperaturen erfolgen. Bevorzugt kann der stillgelegte Wärmespeicher auch aus dem Fahrzeug demontiert werden und erst bei Bedarf für den Winterbetrieb nachgerüstet werden. Dadurch wird das Grundgewicht des Fahrzeuges reduziert und erhöht sich dessen Kofferraumvolumen.
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Bevorzugt ist es dabei, wenn das elektrische Heizelement unmittelbar im Latentwärmespeicher integriert ist und dieser Bauteilverbund einfach über Schnellverschlüsse im Fahrzeug montiert bzw. demontiert werden kann.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltdiagramm eines in einem Elektrofahrzeug eingesetzten Kühlmittelkreislaufes in einem Winterbetrieb;
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2 ein Blockschaltdiagramm entsprechend der 1, in dem das Aufheizen des Latentwärmespeichers sowie das Vorkonditionieren des Akkumulators und des Fahrzeuginnenraums veranschaulicht ist; und
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3 ein Blockschaltdiagramm entsprechend der 1, in dem der Latentwärmespeicher vom Kühlmittelkreislauf abgetrennt ist.
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In der 1 ist der Kühlmittelkreislauf eines Elektrofahrzeuges gezeigt, in dem ein Heizungswärmetauscher 1 angeordnet ist, der eine in den Fahrzeuginnenraum 3 strömende Zuluft L erwärmt. Der Heizungswärmetauscher 1 ist in der 1 zweireihig mit einem ersten Wärmetauscherelement 2 und einem zweiten Wärmetauscherelement 4 ausgebildet. Das erste Wärmetauscherelement 2 des Heizungswärmetauschers 1 ist in Reihe geschaltet mit einer Elektromaschine 7 des Fahrzeugs sowie mit zugehörigen Leistungselektronikbauteilen, etwa einem DC/DC-Wandler 11 und einem Wechselrichter 13, sowie einem Akkumulator 15, der die Elektromaschine 9 mit elektrischer Energie versorgt. Zudem ist dem Wärmetauscherelement 2 in Strömungsrichtung eine Umwälzpumpe 17 nachgeschaltet, mit der das Kühlwasser im Kreislauf umgewälzt werden kann.
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In Parallelschaltung zum Heizungswärmetauscher 1 ist eine Bypassleitung 19 vorgesehen, in der ein beispielsweise am Frontend des Fahrzeugs angeordneter Kühler 21 angeordnet ist. Je nach Schaltstellung eines Reglers 23 kann das von den Antriebskomponenten 7, 11, 13, 15 kommende Kühlmittel über das Wärmetauscherelement 2 oder über den Kühler 21 strömen.
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Dem Akkumulator 15 ist in der Strömungsrichtung des Kühlmittels ein Vorkonditionier-Heizelement 25 vorgeschaltet. Das Vorkonditionier-Heizelement 25 ist von einem später beschriebenen bordeigenen Ladegerät bzw. einer Steuereinrichtung 27 ansteuerbar. Mit dem Heizelement 25 kann das durch den Akkumulator 15 strömende Kühlmittel erwärmt werden, um gegebenenfalls die Betriebstemperatur des Akkumulators zu erhöhen. Stromab des Akkumulators 15 zweigt über ein Schaltelement 12 eine Rückführleitung 14 ab, die über ein weiteres Schaltelement 16 in zwei Teilleitungen 18, 20 aufgeteilt ist, die jeweils stromab und stromauf des Heizungswärmetauschers 1 wieder in den Kreislauf einmünden.
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Gemäß der 1 sind die Antriebskomponenten 7, 11, 13, 15 zusammen mit dem ersten Wärmetauscherelement 2 des Heizungswärmetauschers 1 in einem Hauptkühlmittelkreislauf I angeordnet, der von einem Nebenkühlmittelkreislauf II separiert ist. Der Nebenkühlmittelkreislauf II führt durch das zweite Wärmetauscherelement 4 des Heizungswärmetauschers 1. Zudem ist ein Latentwärmespeicher 33 mit integriertem elektrischen Heizelement 37 an den Nebenkühlmittelkreislauf II angeschlossen. Der Latentwärmespeicher 33 weist eine Einlassleitung 39 und eine Auslassleitung 41 auf, die über die Schnellkupplung 43 mit Leitungsstutzen des Nebenkühlmittelkreislaufes II verbunden sind. An die Einlassleitung 39 schließt sich im weiteren Strömungsverlauf mäanderförmige Rohrbögen an, die innerhalb eines Phasenwechselmaterials 34 des Latentwärmespeichers 33 verlegt sind, sowie weiter stromab ein Leitungsabschnitt mit dem Heizelement 37. Das Heizelement 37 ist als eine Heizschlange um diesen Leitungsabschnitt herum verlegt. Der Leitungsabschnitt geht in die Auslassleitung 41 über, in der eine Umwälzpumpe 42 angeordnet ist. An deren Druckseite zweigt über ein Schaltelement 44 eine Bypassleitung 46 ab, die unmittelbar in die Einlassleitung 39 mündet.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, kann über die Steuereinrichtung 27 eine Spannungszufuhr vom Stromversorgungsnetz zum Akkumulator 15, zum Vorkonditionier-Heizelement 25 sowie zum elektrischen Heizelement 37 des Latentwärmespeichers 33 erfolgen. Die Steuereinrichtung 27 erfasst außerdem in bekannter Weise zahlreiche Eingangsparameter, auf deren Grundlage Ausgangssignale generiert werden, mit dem die Steuereinrichtung 27 einen Ladevorgang für das Elektrofahrzeug steuern kann.
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Nachfolgend wird anhand der 1 ein Winterheizbetrieb zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums 3 erläutert, wobei die mit Kühlmittel durchströmten Bereiche der Haupt- und Nebenkühlmittelkreisläufe I, II im Vergleich zu den im Winterheizbetrieb stillgelegten Bereichen durch dicke Linien hervorgehoben sind.
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Demzufolge sind gemäß der 1 die Schaltelemente 12, 16 des Hauptkühlmittelkreislaufes I mit Hilfe der Steuereinrichtung 27 in eine Schaltstellung verbracht, in der das von der Umwälzpumpe 17 umgewälzte Kühlmittel sämtliche Antriebskomponenten 7, 11, 13, 15 in Reihe durchströmt. Dadurch wird die Abwärme der Antriebskomponenten 7, 11, 13, 15 vom Kühlmittel zum Heizungswärmetauscher 1 transportiert und dort weiter auf den Luftstrom L übertragen.
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Im Nebenkühlmittelkreislauf II ist das Schaltelement 44 im Winterbetrieb derart angesteuert, dass bei aktivierter Umwälzpumpe 42 das Kühlmittel das Wärmetauscherelement 4 sowie den Latentwärmespeicher 33 in Reihe durchströmt. Auf diese Weise wird die im Phasenwechselmaterial 34 des Latentwärmespeichers 33 gespeicherte Wärme über das Kühlmittel zum Heizungswärmetauscher 1 übertragen, in dem die Wärme weiter auf den in den Fahrzeuginnenraum 3 strömenden Luftstrom L übertragen wird. Im Winterbetrieb ist das elektrische Heizelement 37 deaktiviert. Eine Aktivierung des elektrischen Heizelementes 37 erfolgt im nachfolgend erläuterten Ladevorgang.
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In dem in der 2 angedeuteten Ladevorgang wird der Akkumulator 15 lediglich beispielhaft über die in der 1 gezeigte Steuereinrichtung 27 mit Netzspannung versorgt. Gegebenenfalls wird auch das Vorkonditionier-Heizelement 25 angesteuert, um den Akkumulator 15 auf eine günstige Betriebstemperatur zu bringen. Parallel zum eigentlichen Ladevorgang kann erfindungsgemäß der Latentwärmespeicher 33 aufgeheizt werden. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 27 das im Nebenkühlmittelkreislauf II angeordnete elektrische Heizelement 37, die Umwälzpumpe 42 sowie das Schaltelement 44 an.
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Das Schaltelement 44 wird dabei in eine Schaltstellung verstellt, in der das Kühlmittel von der Auslassleitung 41 des Latentwärmespeichers 33 direkt in dessen Einlassleitung 39 rückgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein Strömungsverlauf des Kühlmittels, bei dem das Wärmetauscherelement 4 nicht von Kühlmittel durchströmt ist. So kann ein beschleunigtes Aufheizen des Phasenwechselmaterials 34 im Latentwärmespeicher 33 erfolgen, während der Fahrzeuginnenraum 3 nicht mit Wärme beaufschlagt wird.
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Zeitgleich zum oben erläuterten Aufheizen des Latentwärmespeichers 33 wird gemäß der 2 sowohl der Fahrzeuginnenraum 3 als auch der Akkumulator 15 vorkonditioniert. Hierzu sind die Schaltelemente 12, 16 des Hauptkühlmittelkreislaufes 1 so geschaltet, dass unter Überbrückung der Antriebskomponenten 7, 11, 13 lediglich der Akkumulator 15 sowie das erste Wärmetauscherelement 2 des Heizungswärmetauschers 1 von Kühlmittel durchströmt sind. Außerdem ist das Vorkonditionier-Heizelement 25 und die Umwälzpumpe 17 angesteuert, so dass das aufgeheizte Kühlmittel Wärme zum Akkumulator 15 und zum Wärmetauscherelement 2 transportieren kann.
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In der 3 ist ein Sommerheizbetrieb angedeutet, in dem der Latentwärmespeicher 33 stillgelegt ist. Zur Durchführung des Sommerheizbetriebes sind die Schaltelemente 12, 16 des Hauptkühlmittelkreislaufes I derart geschaltet, dass die Antriebskomponenten 7, 11, 13, 15 bei aktivierter Umwälzpumpe 17 von Kühlmittel durchströmt werden und dadurch deren Abwärme über das erste Wärmetauscherelement 2 in den Fahrzeuginnenraum 3 übertragen wird, wie es durch die dicken Linien in der 3 angedeutet ist.
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Gemäß der 3 ist der Latentwärmespeicher 33 mit seinen Einlass- und Auslassleitungen 39, 41 im Bereich der Schnellkupplung 43 vom verbleibenden Nebenkühlmittelkreislauf II entkoppelt.
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Da erfindungsgemäß der Latentwärmespeicher 33 zusammen mit dem elektrischen Heizelement 37 als einstückige Baueinheit gebildet ist, kann der Latentwärmespeicher 33 ohne weiteres vom Fahrzeug demontiert werden, um zusätzlichen Stauraum im Fahrzeug bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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