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Vorrichtung zur Innenraumbeheizung und Motorkühlung
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eines Kraftfahrzeugs Stand der Technik Die Erfindung geht aus von
einer Vorrichtung zur Beheizung des Innenraums und zur Kühlung des Motors eines
Kraftfahrzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es ist seit langem bekannt und üblich, bei luft gekühlten Brennkraftmaschinen
die Kühlluft, die über das Motorgehäuse bzw. durch einen Wärmetauscher in der Auspuffanlage
geführt wird, auch zur Beheizung des Fahrgastraums zu benützen. Bei wassergekühlten
Brennkraftmaschinen ist es üblich und bekannt, das Kühlwasser durch einen Wärmeaustauscher
strömen zu lassen; durch den Wärmeaustäuscher wird Luft geblasen,
die
dann zum Erwärmen des Fahrgastraums dient. Bei Fahrzeugen, als deren Antrieb ein
Elektromotor dient, haben sich derartige Vorrichtungen noch nicht durchsetzen können.
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Aus der US-PS 3 45i 469 ist bekannt, in einem Elektromobil Luft direkt
über das Motorgehäuse mit Hilfe eines Ventilators zu blasen. Diese Luft dient zur
Kühlung des Motors und erwärmt sich dabei. Die erwärmte Luft wird über die Hohlräume
des Rahmens in den Fahrgastraum geleitet. Mit Hilfe eines Verteilersystems, das
durch Ventilklappen steuerbar ist, kann die erwärmte Luft auch ins Freie geblasen
werden. Außerdem ist es möglich, dem Fahrgastraum Frischluft zuzuführen. Nachteilig
ist dabei aber, daß die den Innenraum erwärmende Luft stets über den Elektromotor
geführt wird und sich dabei insbesondere bei offenen Ausführungen mit abgeriebenen
Partikeln und nitrosen Gasen anreichert. Außerdem steht keine warme Luft zur Verfügung,
wenn der Motor, da kein Antrieb oder keine Verzögerung gewünscht wird, abgeschaltet
ist.
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Aus der DE-OS 24 51 221 ist eine Luftheizung für ein Elektrofahrzeug
bekannt, bei dem der Wärmeinhalt der Akkumulatoren, die zum Antrieb des Fahrzeugs
dienen, für die Beheizung des Fahrzeugs mit ausgenützt wird.
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Bei einem solchen System wird jedoch die Verlustwärme die im Antrieb
selbst entsteht, nicht mit verwertet.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil daß die Kühlung des Motors
von der Beheizung des Fahrgast~
raums durch Steuerorgane trennbar
ist und daß der Motor unabhängig von einer Beheizung des Fahrgastraums gekühlt werden
und der Fahrgastraum in dem Maße beheizt werden kann, in dem Wärme vom Motor angeboten
wird. Weiter ist als Vorteil anzusehen, daß der Fahrgastraum mit Frischluft und/oder
Umluft beschickt wird und Fremdstoffe zwangsläufig nicht eingeleitet werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung
möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, daß der Motor entweder mit Hilfe von Frischluft
oder indirekt unter Abgabe der Wärme an die aus dem Fahrgastraum bezogene Umluft
gekühlt werden kann. Bei Umluftbetrieb ergeben sich wie hinlänglich bekannt höhere
Temperaturen im Fahrgastraum als bei Frischluftbetrieb bei Einsatz gleicher Heizleistung.
Es sind dazu keine oder nur geringe Änderungen am Motor erforderlich.
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Bei einer räumlichen Trennung des motorseitigen vom fahrgastraumseitigen
Wärmeaustauscher durch einen Wärmeträger-Kreislauf kommt ein weiterer Vorteil von
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen zum Tragen.
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Entsprechend der Speicherfähigkeit des Zwischenkreislaufs ist dies
gleichbedeutend mit einem Puffer.
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Änderungen der Motorbelastung führen bei einer solchen Ausstattung
der Erfindung nicht zu einem unmittelbaren Anstieg oder Abfall der Fahrgastraum-Temperatur.
Bei Anordnung des motorseitigen Wärmetauschers außerhalb der elektrischen Maschine
sind keine Änderungen am Motor erforderlich.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist die Anordnung des motorseitigen
Wärmetauschers in der elektrischen Maschine selbst. Ein externer Luft-Wasser-Wärmetauscher
beispielsweise kann dann entfallen. Am aktiven Teil des Motors muß nicht geändert
werden. Die Wärmespeicherfunktion bleibt erhalten.
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Eine besonders günstige Temperaturverteilung erhält man dann, wenn
man den Zwischenkreislauf mit einer Heatpipe ausführt. Der aktive Teil des Motors
muß nicht geändert werden, der Wärmeaustauscher kann raumsparend im Lager schild
des Motors integriert werden, es sind nur wenige und wenig Raum beanspruchende Bauteile
erforderlich. Weiter ist keine Umwälzpumpe zwischen den beiden getrennten Wärmeaustauschern
erforderlich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Motors selbst ermöglichen einen günstigen
Kühlmittelfluß. Die Heatpipe ist vorteilhaft in eine Nut eines Lagerschilds des
Motors formschlüssig eingepreßt.
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Durch das erfindungsgemäße konsequente Ausnützen der Verluste des
Antriebsmotors bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen läßt sich während des
Betriebs des Elektromotors, die Beheizung des Fahrgastraums ohne weitere Heizquellen
sicherstellen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich weiter eine gute
Kühlung für den Antriebsmotor.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren 1
bis 5 zeigen einzelne Ausführungsbeispiele mit Motor, Wärmeaustauschern und Verteilersystem,
die Figuren 6 bis 8 Ausführungsbeispiele mit Ringwärmet auschern.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Im ersten Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 ist ein Antriebsmotor 11 mit einem motorseitigen Kühlmittelkreislauf
12 versehen, bei dem Luft als Wärmeträger dient und der einen Vertilator 13 aufweist.
Der Kühlmittelkreislauf 12 hat nach außen zwei Anschlüsse, nämlich einen Auslaßstutzen
14 und einen Einlaßstutzen mit einem Filter 15. Mit Hilfe einer Ventilklappe 16
kann der Kühlmittelkreislauf 12 in sich geschlossen gehalten werden, es können aber
auch der Einlaßstutzen 14 und der Auslaßstutzen 15 teilweise oder ganz geöffnet
werden.
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An den motorseitigen Kühlmittelkreislauf 12 ist weiter die Primärseite
17 des fahrgastraumseitigen lWärmeaustauschers i8 angeschlossen. Durch die Sekundärseite
19 des Wärmeaustauschers 18 wird die Luft geführt, die zum Beheizen des nicht eingezeichneten
Fahrgastraums dient.
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Die zugehörigen Luftkanäle 21 umfassen in bekannter Weise ein Gebläse
22, einen Frischluftanschlußstutzen 23 und ,durch durch den einen weiteren Einlaßstutzen
24, / die Umluft aus dem aresaug /WerdeWann. Der Anteil von Umluft und Frischluft
wird mit Hilfe eines Ventils 25 eingestellt.
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Zum Fahrgastraum führt der Auslaß 26. Der Wärmetauscher 18 trennt
somit den Kühlmittelkreislauf 12 vom Heizkreislauf 21.
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Mit Hilfe des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist eine Kühlung
des Motors 11 in der warmen Jahreszeit durch Frischluft, in der kalten Jahreszeit
durch Umluft möglich. Die Beheizung des Fahrgastraums geschieht durch Umluft, durch
Frischluft oder durch eine Mischung von beiden. Bei einer Verwendung dieses Ausführungsbeispiels
sind keine Änderungen am Motor 11 erforderlich. Die Motorkühlung ist nur von dem
einen Gebläse 13 abhängig.
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Die Beheizung des Fahrgastraums kann mit dem seperaten Gebläse 22
getrennt gesteuert werden.
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Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche Bauelemente
wie auch in den folgenden Figuren der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist im zweiten
Ausführungsbeispiel nach Figur 2 der Antriebsmotor 11 mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
12 versehen. Vor den Auslaßstutzen 26 und 28 des Kanalsystems 21, das die Luft zur
Beheizung des Fahrgastraums führt, ist ein Ventil 27 geschaltet.
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Dadurch kann die aus dem Kanalsystem 21 austretende Luft über einen
Auslaß 28 ins Freie austreten.
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Der Antriebsmotor 11 wird bei diesem Ausführungsbeispiel stets durch
Umluft gekühlt, und zwar über den Wärmetauscher 18. Der Fahrgastraum ist mit Umluft,
durch Frischluft oder durch eine Mischung von beiden beheizbar. Am Motor 11 sind
keine Änderungen vorzunehmen, der Motor 11 ist in vorteilhafter Weise gekapselt.
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Die ersten beiden Ausführungsbeispiele umfaßten eine Luft-Luft-Wärmetauscher-Anordnung
18. Im dritten Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der motorseitige
Wärmetauscher
17 und der fahrgastraumseitige Wärmetauscher 19 durch einen Wärmeträgerkreislauf
31 voneinander getrennt. Den Wärmeträgerumlauf im Zwischenkreis 31 besorgt eine
Pumpe 32. Der Kühlkreislauf 12 des Antriebsmotors 11 ist wieder in sich geschlossen.
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Die Kühlung des Motors 11 erfolgt - wie auch beim zweiten Ausführungsbeispiel
- stets durch Umluft über den motorseitigen Wärmetauscher 17. Nach wie vor ist der
Fahrgastraum durch Umluft, durch Frischluft oder durch eine Mischung von beidem
beheizbar.
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Auch hier sind am Motor 11 keine Änderungen vorzunehmen, wenn die
erfindungsgemäße Vorrichtung angewandt wird. Der Motor 11 ist gekapselt. Die Luft-Wasser-Luft-Wärmeaustauscheranordnung
18 ermöglicht ein Trennen des motorseitigen Wärmetauschers 17 vom fahrgastraumseitigen
Wärmetauscher 19, die lediglich durch dünne Verbindungsschläuche des Zwischenkreises
31 miteinander verbunden sind. Von Vorteil ist, daß das Wärmeträgermedium des Zwischenkreises
31 als thermischer Puffer dient und somit Temperaturänderungen des Motors sich nicht
sofort auf die Temperatur im Fahrgastraum auswirken können.
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Im vierten Ausführungsbeispiel, das in Figur 4 gezeigt ist, ist wieder
der Kühlmittelkreislauf 12 - der Primärkreis - mit dem Gebläse 13 in sich geschlossen.
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Der motorseitige Wärmetauscher 17 ist in den Motor 11 verlegt. Der
fahrgastraumseitige Wärmetauscher 19 wird wie bisher von der für den Fahrgastraum
bestimmten Luft durchströmt. Im Prinzip erfolgt die Kühlung des Motors 11 auch hier
durch Umluft über die Luft -Wasser-Luft-
Wärmetauscheranordnung.
Die Beheizung des Fahrgastraums kann durch Umluft und/oder Frischluft geschehen.
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Am aktiven Teil des Motors 11 sind keine Änderungen erforderlich.
Ein Luft-Wasser-Wärmetauscher ist im Lagerschild integriert. Dadurch entfällt ein
externer Luft-Wasser-Wärmetauscher. Weiterhin ist der Motor gekapselt. Zum Wasser-Luft-Wärmetauscher
19 - der Sekundärseite der Wärmetauscheranordnung 18 - des Fahrgastraum-Beheizungssystems
21 führen lediglich dünne Verbindungsschläuche des Zwischenkreises 31.
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Der Zwischenkreis 31 wirkt auch hier als thermischer Puffer.
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Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wieder
ist der motorseitige Wärmetauscher 17 der Wärmetauscheranordnung 18 im Antriebsmotor
11 integriert. Der Zwischenkreis 31 ist jetzt aber durch eine Heatpipe realisiert.
Die Heatpipe steht mit ihrem heißen Ende mit dem Motor il, das heißt mit dem primären
Kühlmittelkreis 12 einerseits und mit ihrem kalten Ende mit dem fahrgastraumseitigen
Wärmetauscher 19 der Wärmetauscheranordnung i8 andererseits jeweils in engem thermischen
Kontakt.
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Die Motorkühlung erfolgt stets durch Umluft über "heiße" Seite 17
oder Luft-Heatpipe-Luft-Wärmetauscheranordnung 18. Die Beheizung des Fahrgastraums
geschieht durch Umluft und/oder Frischluft über die "kalte" Seite 19 der Luft-Heatpipe-Luft.Wärmetauscheranordnung
18.
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Im aktiven Teil des Motors 11 sind keine änderungen vorzunehmen. Ein
Luft-Heatpipe-Wärmetauscher ist im
Lagerschild integriert. Mit
dieser Lösung ergibt sich eine äußerst günstige Temperaturverteilung im Primärkreis
mit dem Luft-Heatpipe-Wärmetauscher. Der Motor li ist auch hier gekapselt. Günstig
ist weiter, daß keine Umwälzpumpe zwischen den beiden Seiten 17 und 19 der Wärmetauscheranordnung
18 erforderlich ist.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Motors 11 ist weitgehend aus der
Technik bekannt, die beim Bau von elektrischen Generatoren für Kraftfahrzeuge angewandt
wird. Zweckmäßigerweise wird der Rotor des Motors 11 mit Durchbrüchen zwischen der
Welle und dem Rotorblechpaket versehen, um eine möglichst gute Wärmeabfuhr zu erzielen.
Zum gleichen Zweck sind die Laserschilde mit zahlreichen feinen Rippen versehen.
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Es ist eine radiale Belüftung oder eine tangentiale Belüftung im Lagerschild
möglich. Ein Lüfter sorgt für eine intensive Luftumwälzung im Motorinnern.
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Bei der Verwendung einer Heatpipe besitzt das zugehörige Lagerschild
eine Nut, in die das heiße Ende der Heatpipe zweckmäßigerweise mit einer Preßplatte
formschlüssig eingepreßt wird. Günstig ist es, den Lüfter im Innern des Motors anzuordnen.
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In Figur 6 ist eine zweckmäßige Ausgestaltung des motorseitigen Wärmetauscherteils
17 gezeigt. In das antriebsseitige Lagerschild 32 des Motors 11 ist ein Lamellen-Ringwärmetauscher
17 eingelegt. Der Lamellen-Ringwärmetauscher 17 ist an den Zwischenkreis 31 angeschlossen
und wird radial von der den Motor 11 passierenden Kühlluft durchströmt. Zweckmäßigerweise
sorgt ein seperater Lüfter 33 für eine intensive Kühlluftumwälzung im Innern des
Motors 11.
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Figur 7 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einem Lamellen-Ringwärmetauscher
17 im antriebsfernen Lagerschild 34 des Motors 11. In diesem Fall wird der Lamellen-Ringwärmetauscher
17 von der Kühlluft des Motors 11 in tangentialer Richtung durchströmt.
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Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Lamellen-Ringwärmetauscher
17 und einem auf der Motorwelle 35 eigengelagerten - also fliegend gelagerten -Lüfterrad
36. Das Lüfterrad 36 wird, zweckmäßigerweise über einen Antriebsriemen 37, durch
einen seperaten Lüfterantriebsmotor 38 angetrieben. Auf diese Weise ist für eine
gleichbleibende Belüftung und damit für eine gleichmäßige Kühlung des Motors im
gesamten Drehzahlbereich gesorgt, vor allem eben auch bei niedrigen Drehzahlen.
Eine Anordnung eines Lüftermotors mit Hohlwelle im Motorinneren ist ebenfalls denkbar.