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System zum Temperieren eines Fahrgast- oder
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Nutzraumes eines Kraftfahrzeuges Die Erfindung betrifft ein System
zum Temperieren eines Fahrgast- oder Nutzraumes eines brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeuges
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei dem dort erwähnten Begriff einer thermischen
Energiequelle ist zwar in erster Linie an eine Heizquelle gedacht, jedoch sollen
hier solche lc e auc /t ermischEnergiequellen darunter verstanden sein, deren Temperaturniveau
unterhalb der Raumtemperatur liegt, bei denen es sich also um Quellen von Kälteenergie
handelt.
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Bei brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeugen fällt die thermische Energie,
die zum Temperieren des Fahrgast- oder Nutzraumes herangezogen werden kann, zeitlich
in starkem Wechsel an. Dies ist darauf zurückzuführen, daß - bedingt durch den wechselnden
Betrieb des Kraftfahrzeuges - die Brennkraftmaschine in starkem Wechsel zwischen
Betriebszuständen mit hohem Energieanfall und in solchen mit niedrigem Energieanfall
betrieben wird. Dies kann sich vor allen Dingen im Stadtverkehr dahingehend auswirken,
daß der Fahrgastraum zumindest zeitweise ungenügend beheizt wird. Insbesondere
bei
Verwendung der im Abgas enthaltenen Abwärme zu Heizzwecken oder bei luftgekühlten
Brennkraftmaschinen sind die Schwankungen im verfügbaren Heizenergie-Angebot besonders
stark.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maßnahme anzugeben, wie trotz dieser
unvermeidbaren Schwankungen eine möglichst gleichmäßige Temperierung des Fahrgast-
bzw. Nutzraumes aufrechterhalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Dank der Zwischenspeicherung von thermischer Energie kann diese in
einem besseren zeitlichen Gleichmaß an den Raumwärmetauscher wieder abgegeben werden,
so daß zeitlich ein besserer Energieverlauf und eine gleichmäßigere Temperierung
erzielbar ist. Bei Ausbildung des Zwischenwärmespeichers als Latentwärmespeicher
können - bezogen auf die Speichermasse - besonders große Energiebeträge gespeichert
werden, was für die Anwendung im Fahrzeug besonders vorteilhaft ist, da dadurch
nicht-aktive Fahrzeugmasse gespart werden kann. Außerdem bringt die Verwendung eines
Latentwärmespeichers den weiteren funktionellen Vorteil, daß die gespeicherte Energie
nahezu über den gesamten Bereich der Speicherkapazität hinweg bei einer annähernd
gleichbleibend hohen Temperatur abgegeben wird. Die Latentwärmespeicher oder Phasenwechselspeicher
sind an sich bekannt.
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Es sei hier nur soviel gesagt, daß die Schmelzwärme eines hermetisch
eingeschlossenen Stoffes, der vollreversibel schmelzbar bzw. erstarrungsfähig ist,
gespeichert und abgegeben
wird. Beim Füllen des Speichers wird
der erstarrte Stoff erschmolzen, wobei ihm die Schmelzwärme bei einer dem Erstarrungspunkt
entsprechenden Temperatur zugeführt werden muß. Bei der Entleerung des Speichers
wird diese Schmelzwärme bei der gleichen Temperatur über lange Zeiträume hinweg
wieder abgegeben. Dadurch kann trotz stark schwankenden Energieangebotes bei der
Quelle thermischer Energie der Raumwärmetauscher sehr gleichmäßig beaufschlagt werden.
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Eine weitere Maßnahme zur Temperaturstabilisierung des Temperiersystems
kann darin bestehen, daß zur Energieübertragung ein Wärmerohrsystem verwendet wird,
welches an einen unter steuerbarem äußeren Druck stehenden Ausdehnungsbalg angeschlossen
ist. Dieser Balg übt einen stabilisierenden Einfluß auf die Temperatur im Wärmerohrsystem
aus, es kann mit ihm die Höhe des Temperaturniveaus eingestellt werden und außerdem
bietet er einen Überhitzungsschutz.
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Die Erfindung ist anhand einiger in den Zeichnungen dargesteller Ausführungsbeispiele
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen: Fig. 1 ein Fahrzeug in Teildarstellung
mit einem Temperiersystem nach der Erfindung, Fig. 2 die schematische Darstellung
des Temperiersystems nach Fig. 1,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Temperiersystems nach der Erfindung mit einem Wärmespeicher, der an den einander
zugekehrten Endpunkten zweierlerschiedener Wärmerohre zur Wärmeübertragung angeschlossen
ist und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem in den Raumwärmetauscher
integrierten Wärmespeicher.
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Das in Fig. 1 in Teildarstellung gezeigte Fahrzeug weist einen Fahrgastraum
1 auf, der von der Abwärme der Brennkraftmaschine 2 beheizt werden soll. Bei der
im Beispiel gezeigten Brennkraftmaschine handelt es sich um eine wassergekühlte
Maschine mit einem Kühler 3 sowie einer Kühlwasserpumpe 4. Die weitere Beschreibung
gilt auch für die Fig. 2. In einem Lüftungskanal ist ein Raumwärmetauscher 7 angeordnet,
dessen Wärme auf zwangskonvektive Weise durch das Gebläse 9 abgeführt werden kann.
Die erwärmte Luft kann wahlweise mittels einer Lüftungsklappe 11 der Scheibendiise
lo zum Abtauen oder Beschlagfreihalten der Windschutzscheibe oder dem Fahrgastraum
1 zugeleitet werden; auch beliebige Zwischenstellungen sind möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 kann sowohl die
im Kühlwasser enthaltene als auch die in den Abgasen enthaltene Abwärme der Brennkraftmaschine
zu Heizzwecken herangezogen werden. Dazu ist zum einen ein Kühlwärmetauscher 5 mit
einem davor angeordneten Kühlwasserventil 6 als auch ein in der Abgasleitung 16
angeordneter Abgaswärmetauscher 17 mit einer durch eine Umschaltklappe 20 schaltbaren
Umgehungsleitung 19 vorgesehen. Im Innern des Abgaswärmetauschers ist ein Latentwärmespeicher
18 angeordnet. Der Raumwärmetauscher 7
ist nach Art eines Wärmerohres
ausgehildet;sein Inneres steht mit dem ärmcror 8 in Verbindung, welches den Kühlwasserwärmetauscher
5, den Wärmespeicher 18 und den Raumwärmetauscher 17 wärmeleitend miteinander verbindet;
Wärmetauscher 7 und Wärmerohr 8 bilden ein einheitliches Wärmerohrsystem. Wärmerohre
sind an sich bekannt. ieruter soll ein evakuierter hermetisch dicht verschlossener
hohlraum vorzugsweise in Rohrform verstanden sein, der mit einem verdampfbaren und
kondensierbaren Wärmeträgermedium zu einem kleinen Bruchteil gefüllt ist. Die Auswahl
des Wärmetrcigermediums richtet sich nach dem Temperaturniveau, bei dem Wärme übertragen
werden soll. Das Wärmerohr ist im Innern teilweise mit einer Kapillarstruktur zum
Rücktransport des kondensierten Wärmeträgermediums versehen; dies kann z. B. in
Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch eine Rillenstruktur
der inneren Rohroberfläche geschehen. Als Füllung für die Wärmerohre sind für die
vorliegenden Zwecke beispielsweise Ammoniak, Wasser oder ein Gemisch aus Alkohol
und Wasser geeignet. An der heissen Stelle des Wärmerohres, an der Wärmeenergie
zugeführt wird, verdampft das eingegebene Medium und breitet sich rasch im Inneren
des Wärmerohres aus. An wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres schlägt sich das
verdampfte Medium nieder und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme an die Wandung
des Wärmerohres.
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Das Kondensat kriecht durch Kapillarwirkung zu den Wärmezufuhrstellen
des Wärmerohres zurück. Die an der Kondensatseite vom Medium an die Wandung des
Wärme rohres abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Strahlung, Konvektion
oder Wärmeleitung abgeführt. Durch Afprägung eines bestimmten Druckes
auf
das Innere des Wärmerohres kann dafür gesorgt werden, daß die Wärmeübertragung bis
zu einer ganz bestimmten Temperatur stattfindet. hierzu ist ein Ausdehnungsbalg
13 vorgesehen, der über eine Leitung 12 an das Wärmerohrsystem hermetisch dicht
angeschlossen ist. Die Leitung 12 erlaubt lediglich den Durchtritt von verdampftem
Medium und keinen Transport von Kondensat; diesem Verbindungsrohr fehlt die Kapillarstruktur.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Ausdehnungsbalg in einer druckfesten
Kapselung 14 vorgesehen, der mit einer Druckeinstellung 15 ein gewisser Druck von
außen aufgeprägt werden kann, der sich auch auf das Innere des ärmerohrsystems überträgt.
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Bei drohender Überhitzung des Systems sorgt der Ausdehnungsbalg für
einen Druckausgleich. Überhitzung kann auftreten, wenn mehr Wärme zugeführt als
abgeführt wird, d. h.
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wenn nur noch ein Teil des verdampften Übertragungsmediums an der
kalten Stelle kondensiert. Nun kondensiert der überschüssige Dampf im kalten Ausdehnungsbalg.
Da dieser mit dem Wärme rohr nicht durch eine Kapillarstruktur verbunden ist, ist
somit dem Wärmerohr Wärmeübertragungsmedium entzogen, so daß die übertragene Leistung
wieder der entnommenen Leistung entspricht. Wird die entnommene Leistung wieder
erhöht, sinkt der Druck. Der Balg zieht sich zusammen. Wegen des niedrigeren Druckes
(dampft Flüssigkeit aus dem Balg aus und wird dem Wärmekreislauf wieder zugeführt,
so daß wieder mehr Leistung übertragen werden kann.
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Durch Steuerung des Oberdruckes des Balges kann das Druckniveau und
somit auch das Temperaturniveau des Obertragungssystems
beeinflußt
werden. Durch Eimteuerung eines hohen Druckes kann ein hohes Druckniveau für die
Wärmeübertragung hergestellt werden; eine solche Einstellung wird man bei starker
Heizung wählen.
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Die Wirkung des Temperiersystems nach den Fig. 1 bzw. 2 ist nun kurz
folgende: Die heizung läßt sich mit zwei Stufen betreiben, und zwar in einer ersten
Stufe mit der Abwärme im Kühlwasser und in einer zweiten Stufe mit der Abwärme aus
dem Abgas. Bei Heizung mit Kühlwasser-Abwärme ist die Klappe 20 in der Abgasleitung
16 so geschaltet, daß die Abgase am Abgaswärmetauscher 17 vorbei durch die IJmgehungsleitung
19 hindurchströmen. DaÜir ist das Ventil 6 zur Beaufschlagung des Wärmetauschers
5 geöffnet, der mit Kühlwasser mit einer Maximaltemperatur von etwa 85 - 95 OC beaufschlagt
wird.
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Diese Wärme kann je nach Höhe der Druckeinstellung am Ausdehnungsbalg
13 silber das Wärmerohr 8 dem Raumwärmetauscher 7 zugeführt und von dort mit dem
Gebläse 9 zum Fahrgastraum 1 abgeführt werden. Der mit dem Wärmerohr 8 wärmeleitend
verbundene Zwischenwärmespeicher 18 wird bei diesem Betrieb nur unwesentlich aufgeladen,
weil bei den bei dieser Betriebsweise vorliegenden Temperaturen eine Aufschmelzung
des eingeschlossenen Stoffes noch nicht möglich ist. Eine Zwischenspeicherung bei
heizung mit Kühlwasser ist auch entbehrlich, und ese weil das Kiihlwasser der Brennkraftmaschine
2/se§ter genügend Wärme zu speichern vermag.
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Bei Umschaltung der Abgasklappe 20 in Richtung auf den Abgaswärmetauscher
17 strömen die noch sehr heißen Abgase durch ihn hindurch. Aufgrund des hohen Temperaturniveaus
der Abgase vermögen diese das im Wärmespeicher 18 eingeschlossene Material zu schmelzen
und den Speicher dadurch aufzuladen. Trotz starker Schwankungen auf der Außenseite
des Speichers herrschen an seiner dem Wärmerohr 8 zugekehrten Innenseite gleichmäßige
Temperaturen, die im Bereich des Schmelzpunktes des eingeschlossenen Stoffes liegen.
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Bei Verwendung von Borsäure liegen diese Temperaturen im Bereich 0
von 170 - 200 C. Je nach Druckeinstellung am Balg 13 kann eine stark unterschiedliche
Energiemenge je Zeiteinheit zum Wärmetauscher 7 durch das Wärmerohr 8 iibertragen
werden.
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Neben dem Betriebszustand "lleizen" ist noch der weitere Betriebszustand
"Lüften" denkbar, bei dem keine ileizenergie der geförderten Luft zugeführt werden
soll. Bei dieser Einstellung ist sowohl das Ventil 6 geschlossen als auch die Umschaltklappe
20 in Richtung auf die Umgehungsleitung 19 geschaltet. Am Ausdehnungsbalg 13 ist
ein sehr niedriger Druck eingestellt, so daß das eingeschlossene Medium weitgehend
in dem Ausdehnungsbalg 13 kondensiert ist. Der im Wärmerohrsystem verbleibende geringfügige
Rest an übertragungsmedium stagniert darin ohne Zustandsänderung, so daß kein Wärmetransport
stattfindet.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Beheizung mittels Ausnützung
der Abgas-Abwärme nicht dargestellt, sondern lediglich die Ausnützung der Kühlwasser-Abwärme
über den Wärmetauscher 5. Im Gegensatz zu Fig. 2 wird hier nur die Abwärme eines
Energieträgers, nämlich des Kühlwassers oder des Abgases - dann befindet sich der
Wärmetauscher 5 im Auspuffsystem - ausgenützt. Der Wärmetransport vom Wärmetauscher
5 zum
Raumwärmetauscher 7 erfolgt durch zwei mittelbar über einen
Wärmespeicher 1Sa miteinander gekoppelte Wärmerohre 8a und 8b. Zum Überhitzungsschutz
ist an dem ersten Wärmerohr 8a ebenfalls über eine Leitung 12a ein Ausdehnungsbalg
13a vorgesehen, bei dem jedoch eine Druckeinstellung nicht vorgesehen ist. Die Kapselung
kommuniziert mit der freien Atmosphäre. Auch der Balg 13a ist an einer möglichst
kalten Stelle am Fahrzeug angeordnet. Hinsichtlich der übrigen Punkte stimmt die
Anordnung nach Fig. 3 prinzipiell nach der bereits geschilderten gemäß Fig. 1 und
2 überein.
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Die Wirkungsweise des Auführungsbeispiels nach Fig. 3 ist nun kurz
folgende: enn geheizt werden soll, muß das Ventil 6 zur Beaufschlagung des Wärmetauschers
5 mit erhitztem Kühlwasser geöffnet werden. Dadurch kann Wärme aus dem Kühlwasser
in den Zwischenwärmespeicher 18a, der ebenfalls als Latentwärmespeicher ausgebildet
ist, übertragen werden. Der Schmelzpunkt des in diesem Wärmespeicher eingeschlossenen
Stoffes liegt bei Ausnützung 0 der Kühlwasser-Abwärme im Bereich von etwa 80 C,
bei Ausnützung der Abgas-Abweirme im Bereich von ca. 200 OC. Eine Überhitzung des
Speichers 18a wird durch den Ausdehnungsbalg 13a verhindert, wie bereits oben geschildert.
Die Beaufschlagung des Raumwärmetauschers 7 mit Wärmeenergie erfolgt aus dem Wärmespeicher
18a.
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Je nach Höhe des am Balg 13 eingestellten Druckniveaus erfolgt die
Wärmeübertragung bei einem mehr oder weniger hohen Temperaturniveau. Dementsprechend
kann die vom Gebläse 9 geförderte Heizluft mehr oder weniger stark angeheizt werden.
Die Obertragung von Heizenergie vom Wärmespeicher zum Raumwärmetauscher kann auch
durch entsprechend niedrige Druckeinstellung am Ausdehnungsbalg 13
ganz
unterbunden werden. Bei besonders niedriger Druckeinstellung kondensiert nämlich
das gesamte eingeschlossene Übertragungsmediwn im Auselehnungsbalg 13, so daß der
im Wärmerohrsystem 7, 8b verbleibende geringftigige Rest an Wärmeübertragungsmedium
darin ohne Zustandsänderung stagniert und keine Wärmeübertragung mehr erfolgt. Aus
diesem Grunde braucht das Ventil 6 in dem ülwasserkreislauf, der den Wärmetauscher
5 beaufschlagt, nicht vorgesehen zu sein. Der Zwischenspeicher 18a wird dann auch
in den Zeiten, in denen nicht geheizt werden soll, ständig geladen gehalten, wenn
die Brennkraftmaschine in Betrieb ist. Eine verladung des Speichers ist - wie dargelegt
- aufgrund des Ausdehnungsbalges 1 3a verhindert.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt ein Temperiersystem, bei
dem ein kombinierter Wärmespeicher/Tauscher 21 vorgesehen ist, in welchem der Wärmespeicher
in den Wärme tauscher integriert ist. Zu diesem Zweck sind an das Wärmerohr 8c mehrere
Wärmerohrstiche 25 angesetzt, die jeweils in eine Patrone 24 geführt sind, die Speichermaterial
für einen Latentwärmespeicher enthält. Der Wärmeübergang vom Wärmerohrstich 25 in
das Speichermaterial ist durch Wärmeübergangsrippen 23 sichergestellt. An der Außenseite
der Speicherpatronen 24 sind ebenfalls Wärmeübergangsrippen 22 zur Begünstigung
des Wärmeübergangs von den Patronen an die hindurchgeförderte Luft vorgesehen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Ausnützung der Abgaswärme mittels
eines Abgaswärmetauschers 17a vorgesehen. Das Endstück des Wärmerohres 8c ist hierzu
an einer noch sehr heißen
Stelle des Abgasrohres 16 in den Abgasstrom
hineingeführt, wo es diesem Wärme entzieht. Zur Begünstigung des Übergangs der Wärme
vom Abgas auf das Wärmerohr können ebenfalls an dessen Außenseite geeignete Verrippungen
vergesehen sein.
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An dem Wärmerohr 8c ist ebenfalls über eine Leitung 12 ein Ausdehnwigsbalg
13 vorgesehen, auf den mittels einer Druckeinstellung lsa unterschiedliche Drucke
mittels einer willkürlich vorspannbaren Felder aufgeprägt werden können.
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Bei dieser Anordnung kann die Wirkung der Heizung durch Einstellung
eines entsprechenden Druckes am Ausdehnungsbalg 13 herbeigeführt werden. Je höher
der engestellte Druck ist, um so höher ist das Temperaturniveau bei der Wärmeübertragung.
Durch Einstellung eines besonders niedrigen Druckes kann die Heizwirkung auch ganz
abgestellt werden, obwohl der Abgaswärmetauscher 17a noch von heißen Abgasen umspült
wird. Das Wärmeträgermedium des Wärmerohrsystems ist bei dieser Einstellung ganz
im Ausdehnungsbalg 13 kondensiert.
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Bei dem integrierten Wärmespeicher/Tauscher 21 mit mehreren Speicherpatronen
24 können diese mit unterschiedlichen Materialien gefüllt sein, die sich in der
Höhe des Schmelzpunktes unterscheiden. Dann kann Wärme bei unterschiedlichen Temperaturniveaus
je nach gewünschter Erhitzung abgegeben werdne. Um eine möglichst rasche Heizwirkung
nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine zu bekommen, kann auch eine Reihe von
Wärmerohrstichen ohne Ummantelung mit einer Speicherpatrone im Luftstrom angeordnet
sein. Diese können dann, sobald heiße Abgase den Abgaswärmetauscher 17a umspülen
entsprechende Abgaswärme dem Heizluftstrom zuführen.
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Eine solche Anordnung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn über
die Scheibendtise 1o eine zugefrorene oder beschlagene Windschutzscheibe möglichst
rasch abgetaut bzw. beschlagfrei gemacht werden soll.