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Kennwort: "KFZ-Zusatzheizung"
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Heizung für den Fahrgastraum in Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht
sich auf eine Heizung der im Gattungsbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Bei
Kraftfahrzeugen, die insbesondere mit Verbrennungsmotoren betrieben sind, ist es
üblich, eine Wasserkühlung des Motors vorzusehen, wozu ein Kühlkreislauf zwischen
dem Motor und einem Motorkühler hergestellt wird. In diesem Fall wird für die Heizung
des Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs der Kühlkreislauf mit ausgenutzt; man zweigt
vom Kühlkreislauf des Motors einen Nebenzweig ab, der parallel zum Motorkühler geschaltet
ist und betreibt, über ein Stellventil steuerbar, einen Wärmetauscher, der im Fahrgastraum
wirksam ist unter Ausnutzung des Fahrtwindes und/oder durch Verwendung eines Gebläses.
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Die Erwärmung des Fahrgastraumes nimmt aber eine unzumutbar lange
Zeit in Anspruch, wenn niedrige Außentemperaturen herrschen und der Motor kalt ist.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, sogenannte Standheizungen in den Fahrgastraum
mit einzubauen, die zusätzliche Heizeinrichtungen aufweisen, um unabhängig von der
vorerwähnten, vom Kühlkreislauf abgezeigten Wärme den Fahrgastraum zu erwärmen.
Solche Standheizungen sind kostspielig und platzaufwendig, weshalb sie sich in der
Standardausrüstung, aber auch in der Nachausrüstung von Fahrzeugen nicht durchsetzen
konnten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preisgünstige, raumsparende
Heizung für den Fahrgastraum in Kraftfahrzeugen zu entwickeln, die für eine schnelle
Erwärmung sorgt.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches
1 angeführten Maßnahmen erreicht, deren folgende besondere Bedeutung zukommt. In
den erfindungsgemäßen Heizkreislauf sind wesentliche Bauteile einbezogen, die von
vorneherein zur bekannten Ausrüstung des Kraftfahrzeugs im Nebenzweig seines Kühlkreislaufs
gehören.
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So sind die Leitungen des Nebenzweigs und der im Nebenzweig angeordnete
Wärmetauscher einerseits Bestandteil der konventionellen Fahrzeugheizung und andererseits
zugleich Bestandteil des erfindungsgemäßen neuen Heizkreislaufs. Wegen der doppelten
Funktion dieser bereits vorhandenen Bauteile sind die Kosten der erfindungsgemäßen
Zusatzheizung gering. Benötigt wird für die Erfindung zusätzlich nur der im Kennzeichen
des Anspruches 1 erwähnte Bypass, der aus einer einfachen Leitung für die zirkulierende
Flüssigkeit aus dem Kühlkreislauf besteht, der elektrische Heizkörper, die Umwälzpumpe
und ein Drei-Wege-Ventil am Übergang zwischen dem erfindungsgemäßen Heizkreislauf
und dem Kühlkreislauf. Das sind wenige, raumsparend anordbare Mittel. Von besonderer
Bedeutung ist der erfindungsgemäße Vorschlag, diese hinzukommenden Bauteile in einer
Baueinheit zusammenzufassen, die einfach zwischen den vorhandenen Aggregaten des
Kraftfahrzeugs, nämlich dem im Fahrgastraum wirksamen Wärmetauscher einerseits und
den Verbindungsleitungen zum Kühlkreislauf des Motors andererseits geschaltet wird.
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Dadurch ist der Einbau der Erfindung in den Kraftfahrzeugen sehr einfach.
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Das Drei-Wege-Ventil, das auch aus mehreren Einzelventilen bestehen
kann, bildet die Schaltelemente, welche einerseits den erfindungsgemäßen eigenständigen
Heizkreislauf zwischen dem Nebenzweig mit seinem Wärmetauscher und Bypass einschalten
sowie gegenüber dem Kühlkreislauf abschließen und andererseits, wenn die gewünschte
Erwärmung des Fahrgastraums erreicht ist und der Motor die erwartete Betriebstemperatur
erreicht hat, den Bypass sperren, damit den erfindungsgemäßen Heizkreislauf unterbrechen
und den Nebenzweig mit dem Motor-Kühlkreis verbinden.
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Wie ersichtlich, wird natürlich für den erfindungsgemäßen Heizkreislauf
das gleiche Heizmedium verwendet, wie es zur Kühlung des Motors und zur konventionellen
Erwärmung des Fahrgastraumes verwendet wird.
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Im Aufbau des erfindungsgemäßen Heizkreislaufs gibt es verschiedene
Möglichkeiten. Aufbaumäßig am einfachsten wäre es, die zum konventionellen Kraftfahrzeug
hinzukommenden Bauteile des erfindungsgemäßen Heizkreislaufs gemäß Anspruch 3 im
Nebenzweig anzuordnen. In diesem Fall strömt die Kühlflüssigkeit aber durch diese
Bauteile auch dann hindurch, wenn der erfindungsgemäße Heizkreislauf durch Sperren
des Bypass unwirksam gesetzt ist. In diesem Fall wird zwar über Temperaturwächter
auch der elektrische Heizkörper nach der Erfindung unwirksam gemacht, doch umströmt
unnötigerweise die Flüssigkeit auch bei Normalbetrieb diese unwirksamen Bauteile,
was in manchen Fällen unerwünscht ist. Deshalb empfiehlt es sich, diese zusätzlichen
Bauteile -nach der Erfindung im Bypass anzuordnen, wie es Anspruch 2 vorschlägt,
denn bei Ausschaltung des erfindungsgemäßen Heizkreislaufs erlischt die Strömung
der Heizflüssigkeit im Bypass. Die Zusatzbauteile wirken sich daher bei Normalbetrieb
nicht reibungserhöhend auf die Flüssigkeitsströmung aus.
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Die vorerwähnte Ein- und Ausschaltung des elektrischen Heizkörpers
bei wirksamem bzw. unwirksamem Heizkreislauf nach der Erfindung kann durch die Thermofühler
mit der Zwei-Punkt-Steuerung gemäß Anspruch 4 erfolgen, womit sich dieser Vorgang
leicht automatisieren läßt. Durch entsprechende Temperaturwächter ließe sich auch
das Ein- und Ausschalten der Ventile bzw. des Drei-Wege-Ventils herbeiführen, der
die bereits oben erwähnte Ein- und Ausschaltung des erfindungsgemäßen Heizkreislaufs
steuert. So kann bei einer bestimmten niedrigen Außentemperatur und/oder bei entsprechend
kaltem Motor automatisch eine Schaltstellung der Ventile durch einen Temperaturwächter
herbeigeführt werden, der den erfindungsgemäßen Heizkreislauf entstehen läßt. Durch
einen Temperaturfühler im Fahrgastraum kann weiterhin, wenn die gewünschte, zweckmäßigerweise
auch frei vorwählbare Raumtemperatur erreicht ist, eine Umsteuerung der Ventile
automatisch bewirkt werden, die den erfindungsgemäßen Heizkreislauf stoppt und die
konventionelle Heizung über abgezweigte Wärme aus dem Motor-Kühlkreis einschaltet.
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Eine besonders preiswerte und kompakte Bauweise ergibt sich aber,
wenn man als elektrische Heizkörper im erfindungsgemäßen Heizkreislauf Durchlauferhitzer
verwendet, die aus Silicium-Leitern gemäß Anspruch 5 bestehen. Diese sorgen nämlich
für einen guten Wärmeübergang, weil sie nur eine dünne, den Wärmeübergang zur Heizflüssigkeit
kaum behindernde Oberflächenschicht aufweisen, welche für die elektrische Isolierung
zwischen dem elektrischen Strom im Leiterinneren und dem Heizmedium sorgt. Außerordentlich
bewährt haben sich Silicium-Leiter in Plattenform nach Anspruch 7, weil sie durch
die entstehenden Strömungskanäle zwischen ihnen für eine große wärmeübertragende
Fläche bei einfachem Aufbau sorgen. Dadurch ist die preiswerte Herstellung und
die
kompakte Bauweise gefördert.
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Zur Effizienz der erfindungsgemäßen Zusatzheizung wird man für eine
ausreichend hohe Stromversorgung sorgen, weshalb es sich empfiehlt, gemäß Anspruch
8 Zusatzgeneratoren zu verwenden, die vom Motor mit angetrieben werden.
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Diese Zusatzgeneratoren werden bei Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs
dann wieder ausgeschaltet, wozu die Ansprüche 9 und lo verschiedene Möglichkeiten
vorschlagen.
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Eine Vereinfachung im Aufbau ergibt sich schließlich durch die Verwendung
von Rückschlagventilen, die selbsttätig die geschilderte Umsteuerung zwischen dem
erfindungsgemäßen Heizkreislauf und der konventionellen Heizung bewirken, wenn man
die Strömungsrichtungen des Heizmediums gemäß Anspruch 11 wählt. Dies läuft einfach
darauf hinaus, daß man die Strömungsrichtung der erfindungsgemäßen Umwälzpumpe gegensätzlich
zur Strömungsrichtung jener Pumpe orientiert, die üblicherweise als Kühlmittelpumpe
im Motor-Kühlkreis geschaltet ist.
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Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung sind aus den Zeichnungen
und der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen
gezeigt. Es zeigen: Fig. 1 das Schaltschema vom Motor-Kühlkreis mit dem daran angeschlossenen
erfindungsgemäßen Heizkreis, wobei die spezifischen Zusatzbauteile im Heizkreis,
vom Kühlkreis aus gesehen, parallel zum im Fahrgastraum wirksamen Wärmetauscher
angeordnet sind, Fig. 2 ein alternatives Schaltbild zu Fig. 1, das sich dadurch
unterscheidet, daß die Zusatzbauteile in Reihe zum Wärmetauscher angeordnet sind,
Fig.
3 halbschematisch einen Längs.chnitL duj h cille Baueinheit, worin die zum erfindungsgemäßen
Heizkreislauf gehörenden Zusatzteile kompakt zusammengefaßt sind, und zwar entsprechend
der Reihenschaltung von Fig. 2, Fig. 4 einen Detailschnitt durch Fig. 3 längs der
Schnittlinie IV-IV von Fig. 3, und Fig. 5 halbschematisch die Seitenansicht eines
den erfindungsgemäßen Heizkreis umfassenden Teilstücks der Schaltung von Fig. 1
bzw. 2, worin der Einbau der Baueinheit von Fig. 3 angedeutet ist.
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Die in Fig. 1 gezeigte Anlage zeigt die Schaltung für den Kreislauf
eines Kühlmittels, insbesondere Wasser, das einen Motor 11, nämlich insbesondere
einen Verbrennungsmotor, auf einer niedrigen Betriebstemperatur halten soll. Diese
Anlage besteht zunächst aus einem konventionellen Kühlkreis lo, der die Leitungen
12, 13, 14 und 15 umfaßt. In die Leitung 13 mag der Verbrennungsmotor 11 geschaltet
sein.
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Der Kühlkreis lo umfaßt ferner eine Kühlmittelpumpe 16, die ebenfalls
in die Leitung 13 geschaltet ist und einen Motorkühler 17, der in die Leitung 15
geschaltet sein mag.
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Der Kühlkreis lo besitzt üblicherweise auch noch eine Umgehungsleitung
18, welche über ein Thermostatventil 19 die Leitung 12 mit der Leitung 14 unter
Umgehung des Motorkühlers 17 verbindet. Das Thermostatventil 19 wird von einem Temperaturfühler
29 ausweislich der strichpunktiert angedeuteten Steuerleitung 28 betätigt. Der Temperaturfühler
29 stellt die Temperatur des in der Leitung 14 strömenden Kühlmittels fest. Die
Kühlmittelpumpe 16 treibt das Kühlmittel im Sinne der Strömungspfeile 30 durch den
Kühlkreis lo,
wenn die normale Betriebstemperatur vorliegt und
das Thermostatventil 29 die Umgehungsleitung 18 sperrt. Das Kühlmittel durchströmt
folglich den Motorkühler 17 und gibt seine Wärmeenergie an die Umgebung ab, bevor
es in seiner weiteren Strömung im Kühlkreis lo mit einer entsprechend niedrigeren
Temperatur wieder zum Verbrennungsmotor 11 zurückströmt.
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Ist aber die Betriebstemperatur noch nicht erreicht, wie der Temperaturfühler
29 in der Leitung 14 feststellt, so befindet sich das Thermostatventil 19 in seiner
anderen Schaltstellung, wo die Umgehungsleitung 18 freigegeben ist und die Leitung
zum Motorkühler 17 zweckmäßigerweise gesperrt ist. Jetzt strömt das Kühlmittel durch
den Antrieb der Kühlmittelpumpe 16 am Thermostatventil 19 unmittelbar in die Umgehungsleitung
18 im Sinne der Strömungspfeile 31 von Fig. 1. Dadurch wird das Kühlmittel auf seinem
Strömungsumlauf 31 in seiner Temperatur nicht erniedrigt, wodurch es, trotz des
Kühlmittelumlaufs 31, zu einer wunschgemäß schnellen Erwärmung des Motors 11 auf
seine gewünschte Betriebstemperatur kommt.
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Es ist bei einer solchen Anlage aber auch bekannt, das erwärmte Kühlmittel
zugleich zur Erwärmung eines Fahrgastraums im Kraftfahrzeug zu verwenden. Aus diesem
Grunde ist an dem vorbeschriebenen Kühlkreis lo noch ein Nebenzweig 20 geschaltet,
der die aus Fig. 1 ersichtlichen Leitungen 21, 22 und 23 umfaßt und einerseits über
einen Knotenpunkt 24 mit seiner Leitung 23 an die Kühlkreisleitung 12 und andererseits
über ein Stellventil 25 mit seiner Leitung 21 an die Kühlkreis-Leitung 14 angeschlossen
ist. Zwischen dem Knotenpunkt 24 und dem Stellventil 25 verläuft aber auch die den
Motorkühler 17 umfassende Kühlkreis-Leitung 15.
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Im Normalfall, wenn der Fahrgastraum nicht erwärmt zu werden braucht,
befindet sich das Stellventil 25 in einer Schaltstellung, welche die Nebenzweig-Leitung
21 sperrt und eine Strömung des Kühlmittels ausschließlich in die Kühlkreis-Leitung
15 ermöglicht. Es ergibt sich somit die bereits anhand der Strömungspfeile 30 beschriebene
Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreis lo.
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Ist aber der Fahrgastraum unterkühlt, so kann man mittels des Stellventils
25 eine mehr oder weniger große Menge der Strömung 30 abzweigen und im Sinne der
Strömungspfeile 32 durch den Nebenzweig 20 leiten. Diese Nebenströmung 32 trifft
dann an dem Knotenpunkt 24 mit der Restströmung im Sinne der Pfeile 30 aus dem Kühlkreis
lo zusammen. Nun befindet sich in dem Nebenzweig, wie in der dortigen Leitung 22
angedeutet, ein Wärmetauscher 26, dem ein Gebläse 27 zugeordnet sein kann. Die Nebenströmung
32 kann also am Wärmetauscher 26 Wärme abgeben, die gegebenenfalls vom Fahrtwind
oder vom Gebläse 27 in den Fahrgastraum transportiert wird. Durch eine geeignete
Einstellung des Stellventils 25 kann die Größe der Nebenströmung 32 durch den Nebenzweig
20 bestimmt werden, womit die am Wärmetauscher 26 abzugebende Wärmemenge bestimmt
ist. Die Einstellung des Stellventils 25 kann manuell oder, von einem Thermostaten
gesteuert, automatisch erfolgen.
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Wenn der Motor 11 kalt ist, kann die Nebenströmung 32 auch keine Wärme
zum Wärmetauscher 26 transportieren, zumal, wie oben erläutert wurde, bei kaltem
Motor über das Thermostatventil 19 die sich allmählich erwärmende Kühlflüssigkeit
noch gar nicht bis in den Höhenbereich des Stellventils 25 gelangt, sondern durch
die Umgehungsleitung 18 nur den durch die Pfeile 31 markierten kleinen Kühlkreislauf
erzeugt. Man muß daher zunächst einmal warten, bis der volle normale Kühlkreislauf
30 zustande kommt, nachdem
das Thermostatventil 19 umgeschaltet
hat, so daß am Stellventil 25 die Nebenströmung 32 für den Nebenzweig 20 überhaupt
erst abgezweigt werden kann. Doch selbst dann dauert es noch geraume Zeit, bis die
Temperatur alle Bauteile soweit erwärmt hat, daß eine spürbare Erwärmung im Fahrgastraum
eintritt.
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Die Erfindung schlägt die besonderen Maßnahmen vor, die zunächst einen
Bypass 40 parallel zur Leitung 22 mit dem Wärmetauscher 26 umfaßt, wobei der Bypass
40 die Nebenzweig-Leitung 21 und 23 unmittelbar verbindet. An der einen Anschlußstelle
ist ein Drei-Wege-Ventil 41 angeordnet, während an der anderen Anschlußstelle ein
einfacher Knotenpunkt 33 zwischen den Leitungen 23, 40 vorliegt. Als weitere Maßnahmen
nach der Erfindung sind ein elektrischer Heizkörper 42 und eine Umwälzpumpe 43 vorgesehen,
die im Falle der Fig. 1 in den Bypass 40 selbst geschaltet sind. Als Heizkörper
wird vorteilhafterweise ein Silicium-Durchlauferhitzer verwendet, der im Zusammenhang
mit Fig. 3 und 4 noch näher beschrieben werden wird. Die Umwälzpumpe 53 ist eine
handelsübliche 12 Volt-Pumpe, die eine Wärmebeständigkeit über loo" C besitzt, wenn
als Kühlmittel Wasser verwendet wird. Damit ergibt sich folgende neue Wirkungsweise
in der Anlage: Bei kaltem Motor 11 und niedriger Temperatur im Fahrgastraum stellt
ein Temperaturfühler 44, welcher dem elektrischen Heizkörper 42 nachgeschaltet ist,
den Wärmedefizit fest und meldet ihn an eine nicht näher gezeigte Steuervorrichtung,
die zwei Steuerimpulse auslöst.
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Der eine Steuerimpuls wirkt auf das Drei-Wege-Ventil 41 ein und bringt
es in eine erste Ventil stellung, wo die dem Ventil 41 vorgeschaltete Verbindungsleitung
21' für den
Nebenzweig 20 gesperrt, aber der Bypass 40 gegenüber
der dem Ventil 41 nachgeschalteten Leitung 21 geöffnet ist.
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Dadurch ist die oben beschriebene Nebenströmung 32 als Zweigströmung
des Hauptstroms 30 gesperrt, jedoch es entsteht unter der Wirkung der Umwälzpumpe
43 eine eigene durch die Strömungspfeile 34 in Fig. 1 angedeutete Kreisströmung.
Es entsteht folglich ein eigenständiger Heizkreislauf 45, der die Leitungen 23,
40, 20, 22 mit den dort eingebauten Bauteilen 26, 44, 42, 43 untereinander verbindet.
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In dem angenommenen Fall eines Temperaturdefizits im Fahrgastraum
geht aber von der erwähnten Steuervorrichtung, die vom Temperaturfühler 44 umgesteuert
wird, noch ein zweiter Steuerimpuls aus, der die Stromversorgung des Silicium-Durchlauferhitzers
42 einschaltet. Dieser Heizkörper ist nämlich, wie durch die elektrischen Leitungen
46 angedeutet, mit einem Zusatzgenerator 47 in Verbindung, der über eine Kupplung
48 vom Motor 11 mit angetrieben wird. Der Steuerimpuls kann z.B. darin bestehen,
daß die Kupplung 48 eingeschaltet und damit der Zusatzgenerator 47 in Betrieb gesetzt
wird. Natürlich sind auch andere Ein- und Ausschaltmittel für den Zusatzgenerator
47 anwendbar, wie z.B. das Ein- und Ausschalten der Felderregung oder einleinfacher
elektrischer Schalter innerhalb der elektrischen Leitungen 46.
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In diesem Schaltzustand wird innerhalb des eigenen Heizkreises 45
die im Heizkörper 42 entstehende Wärme zum Wärmetauscher 46 geführt und dort an
den Fahrgastraum abgegeben. Diese Heizwirkung ist völlig unabhängig vom Kühlkreis
lo des Motors 11 und auch seiner über den Nebenzweig 20 erfolgenden Abzweigung,
auch wenn maßgebliche Bestandteile dieses Nebenzweigs 20 mit in den erfindungsgemäßen
Heizkreislauf 45 integriert sind. Diese Integration verringert den Bauaufwand für
die Erfindung und spart Platz in der Anlage. Die
Erfindung kennzeichnenden
besonderen Bauteile 40, 42, 43, 44 können, wie durch die strichpunktierte Einrahmung
in Fig. 1 gezeigt ist, zu einer kompakten Baueinheit 49 zusammengefaßt sein, die
im Zusammenhang mit Fig. 3 bei einer alternativen Gestaltung näher beschrieben werden
wird.
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Ist die gewünschte Temperatur im Fahrgastraum erreicht und/oder eine
ausreichende Zeit verstrichen, innerhalb welcher das Kühlmittel im Kühlkreis lo
eine ausreichend hohe Betriebstemperatur erreicht hat, so kann von der erwähnten,
nicht näher gezeigten Steuerung ein weiterer zweifach wirksamer Steuerimpuls ausgehen.
Im vorliegenden Fall wird diese Umsteuerung ebenfalls von dem bereits erwähnten
Temperaturfühler 44 ausgelöst, der im Nachlauf der Heizströmung 34 geschaltet ist.
Ist eine definierte Endtemperatur erreicht, so unterbricht ein erster Steuerimpuls
die Stromversorgung des elektrischen Heizkörpers 42, was im geschilderten Ausführungsbeispiel
durch eine Lösung der Kupplung 48 geschehen kann, welche den Antrieb des Zusatzgenerators
47 unterbricht. Dieser erste Steuerimpuls wird im Falle der Auslösung durch die
erreichte Betriebstemperatur im Kühlkreis zugleich dazu benutzt, um die für die
Heizströmung 34 maßgebliche Umwälzpumpe 43 stillzusetzen.
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Hierzu genügt die Ausschaltstellung eines nicht näher in Fig. 1 gezeigten
Schalters für die Stromversorgung dieser Umwälzpumpe 43. Die Umwälzpumpe 43 könnte
ihre Stromversorgung auckAber die bereits erwähnten elektrischen Leitungen 46 vom
Zusatzgenerator 47 erhalten, bei dessen Ausschaltung natürlich dann auch die Umwälzpumpe
43 still steht.
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Bei ausreichender Erwärmung des Fahrgastraums kann ein zweiter Steuerimpuls
auch die erforderliche Umsteuerung am Drei-Wege-Ventil 41 bewirken, welches nunmehr
den Bypass 40 schließt und die Leitung 21 gegenüber der erwähnten
Verbindungsleitung
21 zum Kühlkreislauf lo hin öffnet, weshalb dann in konventioneller Weise die Nebenströmung
32 einsetzt, um unter Ausnutzung der Motorwärme den Wärmetauscher 26 mit Wärmeenergie
zu versorgen, welche den Fahrgastraum im weiteren Betrieb des Kraftfahrzeugs erwärmt.
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In der Zwischenzeit ist nämlich die Temperatur des Kühlmittels im
Kühlkreis lo ausreichend hoch, zumal, wenn die gewünschte Betriebstemperatur des
Motors 11 bereits erreicht worden ist. Im weiteren Betrieb der Anlage wird daher
die im Kühlkreis lo anfallende Motorwärme für die Erwärmung des Fahrgastraums ausgenutzt.
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Natürlich ist es auch möglich, auf eine automatische Steuerung der
geschilderten Art zu verzichten und das Drei-Wege-Ventil 41 und/oder die Stromversorgung
46 des Heizkörpers 42 manuell ein- bzw. auszuschalten. All dies hängt ab von den
Bedürfnissen und Anwendungen der Anlage im Kraftfahrzeug.
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In Fig. 2 ist eine im Vergleich mit Fig. 1 alternative Schaltung schematisch
dargestellt, wo zur Bezeichnung der entsprechenden Bauteile die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 verwendet worden sind. Es genügt,die Unterschiede zu beschreiben,
weil in übriger Hinsicht die bisherige Beschreibung der Schaltung von Fig. 1 auch
für die Fig. 2 gilt.
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Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Bypass 40 aus einer
einfachen Leitung ohne Einschaltung der Zusatzbauteile besteht, diese vielmehr in
Reihe zum Wärmetauscher 26 in der Nebenzweig-Leitung 21 angeordnet sind,nämlich
außer dem Drei-Wege-Ventil 41 die Umwälzpumpe 43 und der elektrische Heizkörper
42, der auch hier zweckmäßigerweise aus einem Silicium-Durchlauferhitzer besteht,
der über die
elektrischen Leitungen 46 in der bereits beschriebenen
Weise mit einem vom Motor 11 angetriebenen Zusatzgenerator 47 mit elektrischer Energie
versorgt wird. Diese Bauteile sind zweckmäßigerweise zu einer durch den strichpunktierten
Rahmen in Fig. 2 angedeuteten Baueinheit 49' zusammengefaßt, die in Fig. 3 näher
beschrieben werden wird. Hierzu gehört auch der Temperaturfühler 44,der in der geschilderten
Weise bei der Steuerung der Energieversorgung und des Drei-Wege-Ventils 41 für die
beiden alternativen Strömungen 32 bzw. 34 zuständig ist. Insoweit wird auf die vorausgehende
Beschreibung verwiesen.
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Aus Sicherheitsgründen empfiehlt es sich, wie in Fig. 1 und in Fig.
2 angedeutet ist, im Bereich des Heizkörpers 42 auch noch einen Maximaltemperatur-Wächter
35 vorzusehen, der bei einer unzulässig hohen Erwärmung die Stromversorgung des
Silicium-Durchlauferhitzers unterbricht, um ihn vor Beschädigung oder Zerstörung
zu schützen. Natürlich wäre es auch möglich, anstelle des Drei-Wege-Ventils 41 zwei
Ventile vorzusehen, die, allerdings in Abstimmung zueinander, einerseits den Durchgang
zwischen der Verbindungsleitung 21' und Nebenzweig-Leitung 21 kontrollieren und
andererseits das Öffnen bzw. Schließen des Bypass 40 bewirken. Dies könnte auch
dadurch geschehen, daß einsolchegodez zusätzliches Ventil im Bereich des erwähnten
anderen Kreuzungspunkts 33 zwischen dem Heizkreislauf 45 und der zum Kühlkreis lo
führenden Verbindungsleitung 23' angeordnet ist.
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Schließlich wäre es auch möglich, anstelle von manuell oder automatisch
umsteuerbaren Ventilen 41 Rückschlagventile zu verwenden, die aufgrund ihrer Rückschlagwirkung
normalerweise offen sind, wenn die geschilderte, von der Kühlmittelpumpe 16 ausgelöste
Nebenströmung 32 allein wirksam ist, um die Motorwärme zum Wärmetauscher 26 zu überführen.
Diese Rückschlagventile schließen aber, wenn die Umwälzpumpe 43 wirksam ist, die
dabei gegenüber dem im Zusammenhang mit
Fig. 1 und 2 bisher beschriebenen
Heizströmung 34 entgegeng(?richtet verläuft und die durch den gestrichelten Strömungspfeil
34' in Fig. 2 angedeutete Gegenströmung verursacht. Bei dieser Gegenströmung 34'
schließt das eine Rückschlagventil aus dem Ventilkomplex 41 die Verbindungsleitung
21' ab und unterbindet somit die konventionelle Nebenströmung 32, doch ein anderes
Rückschlagventil öffnet den Bypass 40 und ermöglicht daher eine im umgekehrten Sinne
zum Heizkreislauf 45 zirkulierende Heizströmung durch den Wärmetauscher. Zu diesem
Zwecke empfiehlt es sich, die Umwälzpumpe 43 der erfindungsgemäßen Baueinheit 49
bzw. 49' mit einem höheren Pumpendruck zu betreiben, als die Kühlmittelpumpe 16
im Kühlkreis lo. Über die Art der Anwendung der verschiedenen Ventile und ihrer
Anordnung entscheidet der Aufbau und die Bedürfnisse der jeweiligen Anlage im Kraftfahrzeug.
Diese Maßnahmen sind in das Belieben des Fachmanns gelegt.
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Fig. 3 zeigt eine kompakte Baueinheit mit den maßgeblichen Bauteilen
der Erfindung, wie sie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben worden sind,
weshalb insoweit die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Baueinheit 49'
wird dabei gemäß Fig. 5 in den Kreislauf der Anlage geschaltet, woraus folgendes
entnehmbar ist: Der Wärmetauscher 26 umfaßt eine Schar von parallelen Rohren 36,
durch welche die Heizströmung 45 zwischen die Rohre verbindenden Endstücken37geleitet
wird. Des besseren Wärmeübergangs wegen sind die Rohre 26 mit einer Schar von Lamellen
38 ausgerüstet. Die Endstücke 37 sind in sich, was nicht näher gezeigt ist, in Kammern
geteilt, die einen bestimmten Durchlauf der Heizströmung durch die Rohre 36 bestimmen,
weshalb aus Gründen eines einfachen Anschlusses die beiden Teile der Leitung 22,
in welche der Wärmetauscher
26 geschaltet ist, vom gleichen Endstück
37 ausgehen und mit einem Anschlußflansch 39 enden. Der Anschlußflansch 39 dient
für die Verbindung der Baueinheit 49', die ihrerseits einen Gegenflansch 50 trägt,
um über Bolzen od. dgl.
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befestigt zu werden.
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Die Baueinheit 49' umfaßt einen Block 51, worin die Nebenzweig-Leitung
23 einerseits und 21 andererseits als parallele Bohrungen ausgebildet sind, die
den Block 51 von einem Ende 52 aus bis zum Gegenflansch 50 durchziehen. Am einen
Blockende 52 sitzen Rohrstutzen 53 od. dgl., die zum Anschluß der beiden hier als
Schläuche ausgebildeten Verbindungsleitungen 21', 23' dienen, welche zu den Knotenstellen
24, 25 des Kühlkreises lo führen. Der Bypass 40 ist als eine Querbohrung zwischen
den beiden Längsbohrungen 23, 21 ausgebildet und an seiner Mündungsstelle in die
Bohrung 21 sitzt ein als Drei-Wege-Ventil 41 dienender Ventilkörper 54, der aus
der ausgezogen gezeichneten Ventilstellung in die strichpunktiert angedeutete andere
Ventilstellung 54' überführbar ist. In der erstgenannten Ventilstellung ist die
Verbindung 21' zum Kühlkreis lo gesperrt, weshalb, wie bereits beschrieben wurde,
die Nebenströmung 32 aus dem Kühlkreis lo nicht in dem Block 51 wirksam werden kann.
Die innerhalb des Blockes 51 befindliche Flüssigkeit wird vielmehr wegen der geschilderten
Einschaltstellung der Umwälzpumpe 43 zu der aus Fig. 3 ersichtlichen Heizströmung
34 veranlaßt. Die Umwälzpumpe 43 kann, wie angedeutet, aus einem im Rotationssinne
56 angetriebenen Flügelrad 57 bestehen, das in einer Aufnahme 55 des Blockes gelagert
ist und dessen Energieversorgung in Fig. 3 durch Anschlußleitungen 58 am zugehörigen
Antriebsmotor 59 verdeutlicht ist. Die Heizströmung durchfließt dann einen Silicium-Durchlauferhitzer
42, der in einer entsprechenden Aufnahme 60 des Blockes 51 gehaltert ist und aus
einer
Schar von Silicium-Platten 18 besteht, die in einer aus Fig.
4 ersichtlichen Anordnung zueinander liegen bezüglich mehrfacher Durchlaßöffnungen
62 an beiden Enden.
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Die Silicium-Leiter 61 schließen Teilkanäle miteinander ein, die den
Heizstrom 34 aufteilen und für eine große Oberfläche zwecks eines guten Wärmeübergangs
sorgen. Die Heizleiter 61 sind nämlich an ihren beiden Enden mit Kupferplatten 71
gemeinsam kontaktiert, an welche, wie angedeutet, die erwähnten elektrischen Leitungen
46 angeschlossen sind und aufgrund des Stromdurchflusses zu einer Erwärmung des
Siliciums sorgen. Oberflächlich sind die Silicium-Leiter mit einer elektrisch isolierenden
Mikroschicht belegt, die im einfachsten Fall aus Siliciumdioxyd besteht, einen einwandfreien
Wärmeübergang bewirkt und doch eine galvanische Trennung erzeugt. Alternativ könnte
diese isolierende Schicht aus einer keramischen oder glasartigen Oxydschicht bestehen,
wie auch thermisch stabile Kunststoffschichten aus Fluor-Kohlenstoff-Verbindungen,
Silikonen, Polyamiden, Epoxydharzen od. dgl. aufgebracht sein könnten. Durch Dotieren
mit Fremdatomen eines drei-oder fünfwertigen Elements kann der Silicium-Leiter 61
auf den erforderlichen Widerstand eingestellt werden. Die Anschlußenden besitzen
eine Metallisierung.
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Die Heizströmung 34 gelangt am Silicium-Durchlauferhitzer 42 zunächst
in eine Kammer 64, wo sich die Flüssigkeit auf die verschiedenen Durchlaßöffnungen
62 verteilen kann.
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Durch das große Flüssigkeitsvolumen innerhalb des Heizkörpers 42 erfolgt
die Strömung im Durchlauferhitzer 42 deutlich langsamer, als in der vorausgehenden
Leitung 21, was für eine höhere Erwärmung der Flüssigkeit sehr vorteilhaft ist.
In den erwähnten Teilkanälen 63 sind alle Wandflächen durch Silicium-Leiter 61 gebildet.
Diese Bauteile
werden von einer Feder 65 in Position gehalten.
Der Aufbau im einzelnen und seine Wirkungsweise sind Gegenstand der Patentanmeldung
P 34 32 o29.6, deren Zeichnungen und Texte zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung
gemacht werden.
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Die im Silicium-Durchlauferhitzer 42 erwärmte Flüssigkeit verläßt
durch die Austrittsöffnungen 62 die Teilkanäle 63, findet sich in einer Sammelkammer
66 wieder zusammen, bevor sie durch die weitergeführte Bohrung 21 aus dem Block
51 im Bereich des Gegenflansches 50 austritt.
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Das Ventil 41 ist durch einen Stelltrieb 67 umsteuerbar, der über
elektrische Steuerleitungen 68 jeweils wirksam gesetzt wird. So kann zwecks Umschaltung
der Ventilkörper in die bereits erwähnte zweite Ventilstellung 54' übergeführt werden,
womit die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erläuterte andere Betriebsstellung
der Anlage sich ergibt, wo der Bypass 40 gesperrt, aber die Verbindungsleitung 21'
zum Kühlkreis lo geöffnet ist. Jetzt kommt die bereits mehrfach erwähnte Nebenströmung
32 aus dem Kühlkreis lo zur Wirkung, die in Fig. 3 durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet
ist. In diesem Fall ist aber die Energieversorgung des Silicium-Durchlauferhitzers
42 durch seine elektrischen Leitungen 46 unterbrochen, was, in der bereits mehrfach
beschriebenen Weise durch einen Thermofühler 44 bewirkt wird, der auch in den Leitungen
des Blocks 51 integriert ist, nämlich im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich
der Eingangskammer 64 angeordnet ist. Seine Meßsignale gibt er über die angedeuteten
Meßleitungen 69 an die bereits mehrfach erwähnte Steuerung weiter. Die Wirkungsweise
vollzieht sich jedenfalls in der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschriebenen
Weise.
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Für den dichtenden Übergang zwischen den Leitungen 22 einerseits und
den Bohrungen 23, 21 andererseits, können
im Bereich des Gegenflansches
50 Ringdichtungen 70 die Bohrungsmündungen umgeben. Die Steuerung der Stromversorgung
46, 47, 48 einerseits und des Ventils 41 bzw.
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mehrerer Teilventile andererseits kann auch von einem Thermostaten
im Fahrgastraum ausgehen. Ferner könnte die Auslösung dieser Steuerung durch einen
Thermofühler im Kühlkreis lo der Anlage erfolgen. Schließlich könnten zur Umsteuerung
dieser Bauteile gleichzeitig mehrere Fühlglieder kombiniert werden, die einerseits
die Temperaturverhältnisse im Fahrgastraum bzw. Heizkreis 45 kontrollieren und andererseits
die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreis lo überwachen.
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Kennwort: "KFZ-Zusatzheizung" Bezugszeichenliste: lo Kühlkreis 11
Verbrennungsmotor 12 Leitung von lo 13 Leitung von lo 14 Leitung von lo 15 Leitung
von lo 16 Kühlmittelpumpe 17 Motorkühler 18 Umgehungsleitung 19 Thermostatventil
20 Nebenzweig 21 Leitung von 20 21'Verbindungsleitung zwischen 20, lo 22 Leitung
von 20 23 Leitung von 20 23'Verbindungsleitung zwischen 20, lo 24 Knotenpunkt 25
Stellventil 26 Wärmetauscher 27 Gebläse 28 Steuerleitung 29 Temperaturfühler 30
Strömungspfeil in lo, Hauptströmung 31 Strömungspfeil in 18 32 Strömungspfeil in
20, Nebenströmung 33 Knotenpunkt 34 Strömungspfeil in 45, Heizströmung 34'Gegenströmung
in 45
35 Maximaltemperatur-Wächter 36 Rohre von 26 (Fig. 5) 37
Endstücke von 26 38 Lamellen von 26 39 Anschlußflansch 40 Bypass 41 Drei-Wege-Ventil
42 elektrischer Heizkörper, Silicium-Durchlauferhitzer 43 Umwälzpumpe 44 Temperaturfühler
45 Heizkreislauf 46 elektrische Leitung 47 Zusatzgenerator 48 Kupplung 49 Baueinheit
von Fig. 1 49'Baueinheit von Fig. 2, 3 50 Gegenflansch von 49' 51 Block von 49'
52 Blockende 53 Rohrstutzen 54 Ventilkörper, erste Ventilstellung 54'zweite Ventilstellung
von 54 55 Aufnahme 56 Rotationspfeil von 57 57 Flügelrad 58 Anschlußleitung 59 Antriebsmotor
für 57 60 Aufnahme für 61 61 Silicium-Leiter 62 Durchlaßöffnung 63 Teilungskanal
64 Kammer 65 Feder 66 Sammelkammer 67 Stelltrieb 68 Steuerleitung 69 Meßleitung
70 Ringdichtung 71 Kupferplatte
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