DE60011167T2

DE60011167T2 - Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60011167T2
Application number: DE60011167T
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Hachioji-shi Hirota
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: DE60011167D1; JP2000335230A; EP1038701B1; EP1038701A3; EP1038701A2; US6270015B1; ES2222125T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Radiatoreinrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug, bei dem das Kühlwasser eines wassergekühlten Motors als eine Wärmequelle zum Heizen verwendet wird.
In einem Fahrzeug, das von einem wassergekühlten Motor angetrieben wird, ist für Heizzwecke eine Radiatoreinrichtung vorgesehen zum Zuführen des Kühlwassers aus dem Motor zu einem Wärmetauscher und zum Erwärmen durchgehender Luft in dem Wärmetauscher, und zum Zuführen der erwärmten Luft in den Innenraum des Fahrzeugs. Da während des Motorwarmlaufs in einer kalten Jahreszeit die Kühlwassertemperatur niedrig bleibt, ist es dann nicht effektiv, das Kühlwasser des Motors zum Heizen zu verwenden. In Motoren, die eine hohe Verbrennungseffizienz aufweisen, ist die Menge außerhalb des Motors verfügbarer Wärme allgemein relativ klein. Die Temperatur des Kühlwassers lässt sich bald nach dem Motorstart kaum nennenswert erhöhen. Es ist deshalb nicht zweckmäßig, das Kühlwasser als die einzige Wärmequelle zum Heizen zumindest für eine Weile nach dem Motorstart zu verwenden. Konventionell kann die Fähigkeit zum Heizen in der Warmlaufphase nach einem Motorstart erhalten werden durch zusätzliches Aufheizen des kühlen Kühlwassers, um den Temperaturanstieg absichtlich zu beschleunigen. Dies wird durchgeführt mit Hilfe einer Hilfsheizungseinrichtung. 11 illustriert einen Kühlwasserkreis einer Radiatoreinrichtung, die aus DE 197 52 613 A und JP 06092-134 A bekannt ist. 12 zeigt die Temperaturvariation im Betrieb der bekannten Radiatoreinrichtung. Ein eine Zirkulationspumpe 102 aufweisender Motor 101 ist mit einem thermischen Umschaltventil 103 verbunden, das Auslassanschlüsse besitzt, die mit einem Motorradiator 104 und einem Bypassstrang 105 verbunden sind. Eine Verbindung zwischen dem Auslass des Motorradiators 104 und dem Bypassstrang 105 ist mit dem Motor 101 verbunden. Die Zirkulationspumpe 102 ist weiterhin verbunden mit einem Dreiwegeventil 106, das über einen Bypassstrang 107 mit dem Motor 101 und einem Hilfswärmetauscher 108 verbunden ist, der mit einem Hilfsheizer 109 ausgestattet ist. Der Auslass des Hilfswärmetauschers 108 ist mit einem Wärmetauscher 110 für den Fahrzeuginnenraum verbunden, der seinerseits verbunden ist mit dem Motor 101. Der in JP 06092134 A verwendete Hilfsheizer hat eine exothermische Scher-Ausstattung, in welcher Scherkräfte auf ein Viskositätsfluid einwirken unter Verwendung der Rotationskraft des Motors. Die Temperatur des Motorkühlwassers, das in den Hilfswärmetauscher 108 eintritt, ist T1. Die Temperatur des Kühlwassers, das den Hilfswärmetauscher 108 zum Wärmetauscher 110 für den Innenraum verlässt, ist T2. Die Temperatur stromab des Wärmetauschers 110 für den Innenraum und im Rückführstrang zum Motor 101 ist T3. In 12 zeigt die horizontale Achse die Zeit nach dem Motorstart an, und die vertikale Achse die Temperatur. Beim Heizen ohne Betreiben des Hilfsheizers 109 variiert die Temperatur des Kühlwassers, das durch den Hilfswärmetauscher 108 in den Wärmetauscher 110 für den Innenraum strömt, mit der Kurve 121; sie steigt nur graduell. Die Temperatur T1 im Einlass des Hilfswärmetauschers 108 korrespondiert mit der Temperatur T2 (AUS) im Einlass des Wärmetauschers 110 für den Innenraum. Die Ausgangstemperatur T3 (AUS) variiert nach dem Wärmetausch im Wärmetauscher 110 für den Innenraum mit der Kurve 122. Die Differenz zwischen den Kurven 121 und 122 repräsentiert die Heizleistungsfähigkeit nur des Wärmetauschers 110 für den Innenraum. Wenn auch der Hilfsheizer 109 betrieben wird, wird das Kühlwasser in dem Hilfswärmetauscher 108 erwärmt. Die Temperatur steigt von T1 zu T2 (EIN) und variiert mit der Kurve 123. Sogar dann, wenn das Heizungs-Kühlwasser mit der Temperatur T2 (EIN) im Wärmetauscher 110 für den Innenraum Wärme austauscht, variiert die Temperatur T3 (EIN) im Auslass mit der Kurve 124. Die Differenz zwischen den Kurven 123 und 124 repräsentiert die Heizleistungsfähigkeit des Wärmetauschers 110 für den Innenraum, wenn der Hilfsheizer 109 betrieben wird. Ein Mangel der Heizleistungsfähigkeit nach dem Motorstart wird so etwas gemildert. Die Hilfsheizeinrichtung des Automobil-Airkondiditionssystems in DE-A-197 52 613 umfasst einen elektrischen Heizer bestehend aus einem NiCr-Drahtelement, das innerhalb einer Sektion des Kühlwasserkreises vorgesehen ist.
WO 97 22 486 A offenbart einen Wärmetauscher für ein Airkonditionssystem. Der Wärmetauscher enthält Peltier-Elemente, die verwendet werden zum Absorbieren von Wärme aus dem Motorkühlmittel und zum Transferieren von Wärme in eine Kühlungs-Verrohrung.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine höchst effiziente Radiatoreinrichtung für ein Fahrzeug anzugeben, das mit einer Hilfsheizausstattung versehen ist.
Dieser Gegenstand wird erreicht durch eine Radiatoreinrichtung, die zumindest ein Peltier-Element zum Aufheizen von Kühlwasser verwendet. Das erwärmte Kühlwasser wird dann zum Heizen den Wärmetauscheinrichtungen zugeführt. Das Peltier-Element generiert eine größere Menge an Wärme und mehr als zumindest der Menge der eingebrachten Energie entspricht und führt zu einer höchst effizienten Hilfsheizausstattung. Ein Wärmetauscher ist an die exothermische Seite des Peltier-Elementes angehaftet, um durch das Peltier-Element generierte Wärme in das Kühlwasser zu übertragen, das zu den Wärmetauscheinrichtungen strömt. Eine andere Wärmetauscheinrichtung ist an eine endothermische Oberfläche des Peltier-Elementes angehaftet und dient zum Absorbieren von Wärme aus dem Kühlwasser, wenn dieses zum Heizen die Wärmetauscheinrichtung verlässt.
Solange die Temperatur des Kühlwasser kurz nach dem Motorstart niedrig ist, wird das dem Wärmetauscher für den Innenraum zugeführte Kühlwasser sowohl durch Joulesche Wärme des Peltier-Elementes als auch durch Wärme erwärmt, die von einer endothermischen Oberfläche zu einer exothermischen Oberfläche desselben Peltier-Elementes transferiert wird. Es ist deshalb möglich, mehr thermische Energie für Heizzwecke in das Kühlwasser einzuführen, das zu dem Wärmetauscher an der exothermischen Seite strömt, als elektrische Energie in das Peltier-Element eingebracht wird, um das Heizvermögen des Wärmetauschers für den Innenraum rasch zu steigern.
Ausführungsformen der Erfindung werden mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 ein Blockdiagramm, das schematisch einen Kühlwasserkreis zeigt, der zu einer erfindungsgemäßen Radiatoreinrichtung gehört,
2 ein Diagramm zu Temperaturvariationen,
3 eine schematische Perspektivansicht einer Hilfsheizausstattung,
4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radiatoreinrichtung,
5 ein Blockdiagramm der zweiten Ausführungsform in einem Betriebszustand kurz nach dem Motorstart,
6 ein Diagramm zu Temperaturvariationen,
7 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radiatoreinrichtung,
8 ein Blockdiagramm zu der dritten Ausführungsform in einer Kondition kurz nach dem Motorstart,
9 ein Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radiatoreinrichtung, in einer Kondition kurz nach dem Motorstart,
10 ein Blockdiagramm des Kühlwasserkreises der vierten Ausführungsform,
11 ein Blockdiagramm eines Kühlwasserkreises mit einer konventionellen Radiatoreinrichtung, und
12 ein Diagramm zu Temperaturvariationen der konventionellen Radiatoreinrichtung.
Eine rechte Hälfte von 1 repräsentiert den Kühlwasserkreis 1. Eine linke Hälfte von 1 repräsentiert eine Radiatoreinrichtung des Fahrzeugs, das das Motorkühlwasser als eine Wärmequelle verwendet. Eine Zirkulationspumpe 2 des Motors 1 speist zwangsweise Kühlwasser in einen Kühlwassermantel des Motors 1. Ein Auslassanschluss der Zirkulationspumpe 2 ist mit einem Einlassanschluss eines thermischen Umschaltventils 3 verbunden, das zwei Auslassanschlüsse aufweist, von denen einer mit einem Einlass eines Motorradiators 4 und der andere mit einem Bypassstrang 5 verbunden ist, der den Motorradiator 4 umgeht. Ein Verbindungsteil zwischen dem Radiator 4 und dem Bypassstrang 5 führt zu einem Einlassanschluss des Motors 1.
Die Zirkulationspumpe 2 ist weiterhin verbunden mit einem Einlassanschluss eines Drosselventils 6, dessen Auslassanschluss mit einem Einlassanschluss eines Wärme tauschers 7 an der Heizseite der Einrichtung verbunden ist. Ein Auslassanschluss des Wärmetauschers 7 ist verbunden mit einem Einlassanschluss eines Wärmetauschers 8 für den Innenraum, dessen Auslassanschluss mit einem Wärmetauscher 9 verbunden ist, der an der endothermischen Seite angeordnet ist. Zwischen dem Wärmetauscher 7 und dem Wärmetauscher 9 an der endothermischen Seite ist ein Peltier-Element 10 eingehaftet. Diese Komponenten konstituieren eine Hilfsheizausstattung. Der Auslass des Wärmetauschers 8 ist über einen Rücklaufstrang mit dem Einlassanschluss des Motors 1 verbunden.
Anstelle des Drosselventils 6 können ein Dreiwegeventil und der Bypassstrang verwendet werden. An einer frei wählbaren Stelle innerhalb eines geschlossenen Kreises, der den Motor 1, den Wärmetauscher 7, den Wärmetauscher 8 für den Innenraum und den Wärmetauscher 9 umfasst, kann eine Pumpe installiert sein.
Vom Motor 1 stammende Wärme wird durch das Kühlwasser absorbiert. Solange die Temperatur niedriger ist als eine festgelegte Temperatur, wird das Kühlwasser im thermischen Umschaltventil 3 stromab der Zirkulationspumpe 2 direkt über den Bypassstrang 5 zum Motor 1 zurückgeführt. Falls die Temperatur höher ist als die festgelegte Temperatur, wird durch den Motorradiator 4 Wärme aus dem Kühlwasser nach außen abgestrahlt, wobei das Kühlwasser aus dem Motorradiator 4 zum Motor 1 zurückkehrt.
Die Heiz-Radiatoreinrichtung umfasst einen geschlossenen Kreis, in welchem ein Teil des Kühlwassers, das von der Zirkulationspumpe 2 abgegeben wird, vom Drosselventil 6 durch den Wärmetauscher 7, den Wärmetauscher 8 für den Innenraum, und den Wärmetauscher 9 zum Einlassanschluss des Motors 1 zirkuliert. Falls die Wärmemenge im Kühlwasser hoch genug ist, wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 6 korrespondierend mit der Heizleistung eingestellt, die gebraucht wird für den Wärmetauscher 8 für den Innenraum.
Die Temperatur im den Motor 1 zum Wärmetauscher 7 verlassenden Kühlwasser ist T1. Die Temperatur stromab des Wärmetauschers 7 für den Wärmetauscher 8 für den Innenraum ist T2. Die Temperatur stromab des Wärmetauschers 8 für den Innenraum zum Wärmetauscher 9 ist T3. Die Temperatur beim Wärmetauscher 9 ist T4.
In 2 zeigt eine horizontale Achse die nach dem Motorstart verstreichende Zeit. Die vertikale Achse zeigt die Temperaturvariationen im Kühlwasser. Die Temperatur des Kühlwassers zur Zeit des Motorstarts ist X°C.
Fahren mit Heizung ohne Verwendung der Hilfsheizausstattung:
Nach dem Start des Motors steigt die Temperatur graduell von X°C und ändert sich die Temperatur zwischen dem Wärmetauscher 7 und dem Wärmetauscher 8 für den Innenraum mit der Kurve 21. Die Temperatur T1 im Einlass des Wärmetauschers 7 ist gleich wie die Temperatur T2 (AUS) im Einlass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum. Das Kühlwasser tauscht im Wärmetauscher 8 für den Innenraum Wärme aus und die Temperatur bei dem Wärmetauscher steigt graduell von X°C und folgt der Kurve 22. Dann ist die Temperatur T3 (AUS) im Auslass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum dieselbe wie die Temperatur T4 (AUS) in dem Auslass des Wärmetauschers 9. Deshalb repräsentiert die Differenz zwischen den Kurven 21 und 22 die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers 8 für den Innenraum ohne Verwendung der Hilfsheizausstattung. Das Heizvermögen ist kurz nach dem Motorstart gering.
Fahren mit Heizung unter Verwendung der Hilfsheizausstattung:
Die Temperatur steigt in Folge des Einflusses des Wärmetauschers 7 von T1 zu T2 (EIN) und variiert entsprechend der Kurve 23. Da das Kühlwasser mit der Temperatur mit der Temperatur T2 (EIN) im Wärmetauscher 8 für den Innenraum Wärme austauscht, variiert die Temperatur T3 (EIN) mit der Kurve 24. Da auch das Kühlwasser mit der Temperatur T3 (EIN) Wärme in dem Wärmetauscher 9 austauscht, variiert die Temperatur T4 (EIN) im Auslass mit der Kurve 25. Das heißt, Kühlwasser strömt zum Motor 1 zurück, falls die Temperatur niedriger ist als die Temperatur beim Motorstart als Folge des Einflusses des Wärmetauschers 9 an der endothermischen Seite, d. h., die Kurve 25 beginnt bei einer Temperatur niedriger als X°C. Deshalb repräsentiert die Differenz zwischen den Kurven 23 und 24 das gesteigerte Heizvermögen des Wärmetauschers 8 für den Innenraum bei Verwendung der Hilfsheizausstattung in einem Status, bei welchem der Mangel des Heizvermögens schon kurz nach dem Motorstart gemildert wird.
Das Peltier-Element 10 verwendet den Peltier-Effekt mit fließendem elektrischen Strom, der es gestattet, von der endothermischen Seite Wärme zu absorbieren, wodurch die Temperatur einer Oberfläche abfällt, und die Wärme zu der exothermischen Seite zu transferieren, wo die Temperatur der Oberfläche ansteigt. Obwohl die Menge der transferierten Wärme sich abhängig von den momentanen Konditionen ändert, können fast 50% der elektrischen Leistung in dem Peltier-Element 10 effektiv benutzt werden. Dies resultiert in einem Koeffizienten von ca. 0,5. Obwohl jedoch, falls der sich ergebende Koeffizient bei Verwendung des Peltier-Elementes 10 in einer Kühlausstattung 0,5 beträgt, kann doch die kalorische Leistung an der exothermischen Seite des Peltier-Elementes ausgedrückt werden durch die Summe der Menge der Wärme, die an der endothermischen Seite absorbiert wird und der Joule'schen Hitze, die durch den elektrischen Strom generiert wird, der durch das Peltier-Element 10 fließt, wenn dieses als eine Hilfsheizkomponente benutzt wird. Der sich daraus ergebende Koeffizient kann dann hoch wie ca. 1,5 werden. In einem konventionellen elektrischen Heizer ist der sich ergebende Koeffizient höchstens 1,0. In einem Vergleich ist der sich so ergebende Koeffizient von 1,5 des Peltier-Elementes 10 viel besser.
Unter Ergänzung des Effektes des Peltier-Elementes 10 kann die Menge der Wärme, die durch das Peltier-Element 10 von der endothermischen Seite zu der exothermischen Seite transferiert wird, ausgedrückt werden durch den Wert GW (T3 (EIN) – T4 (EIN)). Dies bedeutet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Auslass des Wärmetauschers 9 an der endothermischen Seite durch die Menge des Kühlwassers vervielfacht wird. Wenn die Menge der Wärme stammend von der Joule'schen Hitze generiert durch die elektrische Leistung, die in das Peltier-Element 10 eingebracht wird, durch PW ausgedrückt wird, ist die Temperatur T2 an dem Einlass (die Kurve 23) des Wärmetauschers 9 für den Innenraum die Summe der Temperatur T1 in dem Einlass (Kurve 21) des Wärmetauschers 7, der Menge der Wärme PW wie generiert wie durch das Peltier-Element 10 selbst, und der transferierten Menge von Wärme GW (T3) (EIN) – T4 (EIN)).
Das Peltier-Element 10 der Hilfsheizausstattung von 3 ist zwischen dem Wärmetauscher 7 an der Heizseite und dem Wärmetauscher 9 an der endothermischen Seite angeordnet. Beide Wärmetauscher 7, 9 sind mit Einlass- und Auslassanschlüssen 7a, 8a; 7b, 8b ausgestattet. Der Einlassanschluss 7a und der Ausschlussanschluss 7b sind mit dem Motor 1 verbunden. Der Einlassanschluss 8a und der Auslassanschluss 8b sind mit dem Wärmetauscher 8 für den Innenraum verbunden.
An dem Peltier-Element können die endothermische Oberfläche und die exothermische Oberfläche vertauscht werden abhängig von der Richtung des Flusses des elektrischen Stroms. Die Polarität eines Leitungsdrahtes ist so gewählt, dass sich die exothermische Oberfläche an der Seite des Wärmetauschers 7 befindet, während die endothermische Oberfläche an der Seite des Wärmetauschers 9 liegt. Der Leitungsdraht verläuft über einen elektrischen Stromregler 11 und eine Batterie 12. Ein Eingang des elektrischen Stromreglers 11 ist mit einem Ausgang eines Controllers 13 verbunden. Der Controller 13 steuert den Hilfsheizbetrieb des Peltier-Elementes 10 durch Einstellen des Wertes des elektrischen Stroms. Falls nach dem Motorstart eine Hilfsheizung erforderlich ist, stellt der Controller den elektrischen Strom auf 100% ein. Sobald die Temperatur des Kühlwassers genügend angestiegen ist und der Temperaturanstieg einen gesättigten Status erreicht, ist eine Hilfsheizung nicht mehr länger notwendig. Dann wird der elektrische Strom auf 0% eingestellt. Kontrollverfahren des elektrischen Stromreglers 11 können eine Analogsteuerung, und eine Ein/Aus-Steuerung, eine Pulsweitenmodulationssteuerung, oder dergleichen, sein.
Bei der zweiten Ausführungsform der Radiatoreinrichtung von 4 sind zwischen dem Motor 1 und dem Wärmetauscher 7 eine Pumpe 31 und ein Vierwegeventil 32 vorgesehen. Das Vierwegeventil 32 ist auch zwischen dem Wärmetauscher 8 für den Innenraum und dem Wärmetauscher 9 an der endothermischen Seite angeordnet.
Ein Ventil (nicht gezeigt) zum Steuern der Menge des Stroms oder der Stromrate kann zwischen der Pumpe 31 und dem Vierwegeventil 32 vorgesehen sein. Anderseits kann die Stromrate auch gesteuert werden durch Einstellen des Drehgrades oder der Einstellung des Vierwegeventils 32.
Das Kühlwasser vom Motor 1 strömt durch das Vierwegeventil 32 und die Pumpe 31 in den Wärmetauscher 7, wird vom Wärmetauscher 7 erwärmt, und strömt dann in den Wärmetauscher 8 für den Innenraum, wo es Wärme mit der Luft im Inneren des Fahrzeugs austauscht, und strömt schließlich durch das Vierwegeventil 32 in den Wärme tauscher 9. Nachdem dort Wärme absorbiert wird, kehrt das Kühlwasser zum Motor 1 zurück. Es ist möglich, dieselbe Hilfsheizoperation wie in 1 auszuführen.
5 ist ein Blockdiagramm, das bei der zweiten Ausführungsform den Status nach dem Motorstart repräsentiert. Mittels des Vierwegeventils 32 ist es möglich, den Kreis für den Strom zum Wärmetauscher 7 und zum Wärmetauscher 8 für den Innenraum von einem anderen Kreis zu separieren, in welchem das Kühlwasser zum Motor 1 zurückkehrt. In anderen Worten ist ein erster Kreis geformt, in welchem das Kühlwasser vom Motor 1 über das Vierwegeventil 32 und den Wärmetauscher 9 zum Motor 1 zurückkehrt. Unabhängig davon wird ein zweiter geschlossener Kreis geformt, in welchem das Kühlwasser von dem Vierwegeventil 32 durch die Pumpe 31, den Wärmetauscher 7 und den Wärmetauscher 8 für den Innenraum zu dem Vierwegeventil 32 zurückkehrt. Die durch das Peltier-Element 10 generierte Joule'sche Wärme und die Menge der Wärme, die aus dem Kühlwasser des Motors 1 absorbiert ist, werden so nur in den geschlossenen Kreis des Wärmetauschers 8 für den Innenraum eingebracht.
Die Belastung des Wärmetauschers 8 für den Innenraum wird entschieden durch die Menge des Luftstroms (Quantität des Windes) der durch den Wärmetauscher 8 für den Innenraum hindurchgeht, und durch die Lufttemperatur. Solange die Belastung für den Wärmetauscher des Innenraums klein ist, ist die Menge an Wärme, die durch den Wärmetauscher 8 für den Innenraum ausgetauscht wird, kleiner als die Menge, die durch den Wärmetauscher 7 eingebracht ist. In diesem Fall tritt ein Phänomen auf. Die Temperatur im Auslass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum wird höher als die Temperatur T1 im Einlass des Wärmetauschers 7. In der Konfiguration von 4 wird Hochtemperatur-Kühlwasser, das den Wärmetauscher 8 für den Innenraum verlässt, durch den Wärmetauscher 9 gekühlt, so dass das Kühlwasser für den Motor weiter aufgeheizt wird. Die kalorische Leistungsfähigkeit des Kühlwassers im Motor ist allgemein hoch. Deshalb wird die Temperatur T1 an dem Auslass des Motors 1 zum Wärmetauscher 7 nicht plötzlich ansteigen, selbst wenn das Kühlwasser für den Motor durch das Hochtemperatur-Kühlwasser erwärmt wird, das von dem Wärmtauscher 8 für den Innenraum kommt. Das bedeutet, dass die Temperatur im in den Wärmetauscher 8 für den Innenraum eintretenden Wasser nur langsam ansteigt, da das Kühlwasser, das in den Wärmetauscher 7 eintritt, nur auf niedrige Temperatur erwärmt wird.
Falls die Temperatur in dem Auslass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum höher ist als die Temperatur im Auslass des Motors 1, d. h., als die Temperatur im Einlass des Wärmetauschers 7, (5), ist es möglich, die gesamte Menge der durch den Wärmetauscher 7 eingebrachten Wärme zu dem Wärmetauscher 8 für den Innenraum zu transferieren durch entsprechendes Umschalten des Vierwegeventils 32 und durch Einstellen eines geschlossenen Kreises, in welchem die Radiatoreinrichtung von dem Kühlwasserkreis des Motors separiert ist.
6 illustriert Temperaturvariationen in dem erwähnten geschlossenen Radiatorkreis. Nach dem Motorstart wird das Vierwegeventil 32 wie in 5 geschaltet, um den geschlossenen Kreis zu formen. Die Temperatur des Kühlwassers in diesem Kreis ist an der Motorseite nach dem Motorstart nahezu dieselbe wie in 2. Die Temperatur variiert mit der Kurve 41. Die Temperatur beim Wärmetauscher 7 ist zunächst dieselbe wie die Temperatur im Motor (X°C). Die Temperatur T2 beim Wärmetauscher 8 für den Innenraum variiert mit der Kurve 42, da das Kühlwasser aufgeheizt wird durch den Wärmetauscher. Die kalorische Wärmeleistung oder Kapazität des geschlossenen Kreises ist kleiner als die kalorische Leistungsfähigkeit an der Motorseite. Als Konsequenz steigt die Temperatur T2 im Einlass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum vergleichsweise schart an. Da die Menge an Wärme, die durch den Wärmetauscher 8 für den Innenraum ausgetauscht wird, klein wird (die Belastung des Wärmetauschers 8 für den Innenraum ist klein) steigt die Temperatur T5 im Auslass des Wärmetauschers 8 signifikant an und variiert die Temperatur T5 mit der Kurve 43. Die Differenz zwischen den Kurven 42 und 43 repräsentiert das gesteigerte Heizvermögen.
Andererseits strömt in dem anderen Kreis an der Motorseite das Kühlwasser vom Motor 1 durch das Vierwegeventil 32 in den Wärmetauscher 9 an der endothermischen Seite, wo Wärme absorbiert wird. Deshalb variiert die Temperatur T4 im Auslass des Wärmetauschers 9 mit der Kurve 34.
Falls die Temperatur im Kühlwasser in dem Kreis an der Radiatorseite schart ansteigt, wird das Kühlwasser frühzeitig separiert. Im Gegensatz dazu steigt die Temperatur des Kühlwassers an der Motorseite nur graduell. Falls die Temperatur im Motor 1 höher ist als die Temperatur T5 im Auslass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum, wird das Vierwegeventil 32 umgeschaltet, um den Kreis von 4 zu formen. Das Timing zum Umschalten des Ventils 32 hängt von der Belastung des Wärmetauschers 8 für den Innenraum ab. Das Ventil 32 wird frühzeitig umgeschaltet, falls die Belastung klein ist, und wird später umgeschaltet, falls die Belastung hoch ist.
Bei der dritten Ausführungsform von 7 ist zwischen dem Auslassanschluss des Motors 1 und dem Vierwegeventil 32 eine Pumpe 51 eingesetzt. Zwischen dem Auslassanschluss des Motors 1 und dem thermischen Umschaltventil 3 ist ein Rückschlagventil 52 vorgesehen. Das Rückschlagventil 52 gestattet nur einen Strom von Motor 1 zum thermischen Umschaltventil 3. Das thermische Umschaltventil 3 kann strukturell kombiniert sein mit dem Rückschlagventil 52.
Sobald die Temperatur des Kühlwassers des Motors hoch genug ist, wird es durch die Zirkulationspumpe 2 über das Rückschlagventil 52 in einen Kreis des Motorradiators 4 gepumpt. Weiteres Kühlwasser wird durch die Pumpe 51, das Vierwegeventil 32, die Pumpe 31 und den Wärmetauscher 7 zum Wärmetauscher 8 für den Innenraum geleitet. Nachdem Wärmetausch mit der Luft für den Innenraum des Fahrzeugs kehrt das Kühlwasser über das Vierwegeventil 32 und dem Wärmetauscher 9 zum Motor 1 zurück.
Es ist zweckmäßig, diese Konfiguration in einem Fahrzeug einzusetzen, welches einen Motor hat, der ausgelegt ist für niedrigen Brennstoffverbrauch, z. B. in ein Fahrzeug mit einem Leerlauf-Abschaltmechanismus, oder ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb, welches einen Elektromotor und einen wassergekühlten Motor enthält. Der Leerlauf-Abschaltmechanismus schaltet den Motor 1 aus, sobald die Drehzahl des Motors 1 auf die Leerlaufdrehzahl abfällt, beim zeitweisen Anhalten an einer Kreuzung, an einem Bahnübergang, oder dergleichen. Die Zirkulationspumpe 2 des Motors 1 hält auch an, wenn der Motor 1 ausgeschaltet ist. In dem Fahrzeug mit einem Hybridantrieb wird die Antriebsquelle von dem Motor 1 auf den Elektromotor umgeschaltet, falls dessen Leistungsfähigkeit hoch genug und die Belastung des Motors klein sind. Wenn der Motor 1 anhält, hält auch die Zirkulationspumpe 2 an, so dass es dann unmöglich ist, Kühlwasser vom Motor 1 in den Wärmtauscher 8 für den Innenraum einzuführen. In diesem Fall ist es möglich, unter Verwendung der Restwärme in dem Kühlwasser des Motors 1 sukzessive zu heizen durch Betreiben der Pumpe 31 anstelle der Zirkulationspumpe 2 und so Kühlwasser aus dem Motor 1 in den Wärmetauscher 8 für den Innenraum einzuführen. Sobald die Pumpe 31 Kühlwasser aus dem Motor 1 ansaugt, wird der Druck in dem Auslass des Motors 1 negativ, so dass die Pumpe 31 versucht, aus dem Motorradiator 4 gekühltes Kühlwasser anzusaugen. Jedoch kann Kühlwasser aus dem Motorradiator 4 nicht über das zwischen dem Auslassanschluss des Motors 1 und dem thermischen Umschaltventil 3 angeordnete Rückschlagventil 52 zurückströmen. Deshalb wird nur in dem Motor erwärmtes Kühlwasser in den Wärmetauscher 8 für den Innenraum eingeführt und zum Heizen benutzt. Die vorerwähnte Pumpe 31 wird gegebenenfalls in dieser Heizungsausstattung nicht gebraucht.
8 repräsentiert die Motorstartphase bei der dritten Ausführungsform. Nach dem Motorstart ist es möglich, dass die Temperatur des Kühlwassers im Auslass des Wärmetauschers 8 für den Innenraum höher ist als im Auslass des Motors 1. In diesem Fall (8) wird das Vierwegeventil 32 so umgeschaltet, dass der geschlossene Kreis für Kühlwasser, das in den Wärmetauscher 7 und in den Wärmetauscher 8 für den Innenraum strömt, gebildet wird. Dies bedeutet, dass unabhängig von dem Motorkreis ein Kreis mit einer kleinen kalorischen Leistungsfähigkeit geformt wird. Der Motorkreis würde hingegen im Vergleich eine große kalorische Leistungsfähigkeit haben. Der Strom des Kühlwassers ist dann der gleiche wie in 5. In diesem Kreis mit der kleinen Kapazität kann die Temperatur des Kühlwassers, das durch den Wärmetauscher 7 erwärmt wird, rasch angehoben werden, derart, dass das Innere des Fahrzeugs schon frühzeitig nach dem Motorstart beheizbar ist. Da in diesem Fall Kühlwasser aus dem Motor 1 durch das Vierwegeventil 32 und die Zirkulationspumpe 2 in den Wärmetauscher 9 eingeführt wird, entsteht ein endothermischer Effekt durch den Wärmetauscher 9 an der endothermischen Seite. Jedoch strömt aus dem Wärmetauscher 9 kein Kühlwasser aus, sobald der Motor 1 anhält. Deshalb würde das Kühlwasser sofort gekühlt werden, da die Kapazität des Kühlwassers in dem Wärmetauscher 9 klein ist und auch der endothermische Effekt klein wird.
Falls der Motor 1 anhält, während nach dem Motorstart das dem Wärmetauscher 8 für den Innenraum zugeführte Kühlwasser durch das Peltier-Element 10 erwärmt wird, wird anstelle der Zirkulationspumpe 2 die Pumpe 51 angetrieben und wird zwangsweise Kühlwasser durch den Wärmetauscher 9 zirkuliert. Die Pumpe 51 braucht nicht eingesetzt zu sein zwischen dem Auslassanschluss des Motors 1 und dem Vierwegeventil 32. Sie kann hingegen installiert sein zwischen dem Vierwegeventil 32 und dem Wärmetauscher 9 oder zwischen dem Wärmetauscher 9 und dem Auslassanschluss des Motors 1.
9 repräsentiert den Zustand kurz nach dem Motorstart einer vierten Ausführungsform einer Radiatoreinrichtung des Fahrzeugs. Zwischen einem Auslassanschluss des Motors 1 und dem Wärmetauscher 7 sind ein Dreiwegeventil 61 und eine Pumpe 62 eingesetzt. Ein anderer Auslassanschluss des Dreiwegeventils 61 ist über ein Vierwegeventil 63 mit einem Einlassanschluss des Wärmetauschers 9 verbunden. Der Auslassanschluss des Wärmetauschers 8 für den Innenraum ist mit dem Vierwegeventil 63 verbunden. Ein Auslass einer Passage des Ventils 63 ist über ein Rückschlagventil 64 mit einem Strang verbunden, der sich zwischen dem Dreiwegeventil 61 und der Pumpe 62 erstreckt. Dieser Auslass ist auch über ein anderes Rückschlagventil 65 mit dem Einlass des Motors 1 verbunden. Die Rückschlagventile 64, 65 gestatten einen Strom von dem Vierwegeventil 63 zur Pumpe 62 und zum Motor 1.
Der Strom des Kühlwassers ist derselbe wie in den 5 und 8. Ein geschlossener Kreis kann geformt werden, wenn das von der Pumpe 62 abgegebene Kühlwasser zu dem Wärmetauscher 7 strömt, dort erwärmt wird, weiterströmt zum Wärmetauscher 8 für den Innenraum, um mit der Luft für den Fahrzeuginnenraum Wärme auszutauschen, und schließlich zurückkehrt durch das Vierwegeventil 63 und das Rückschlagventil 64 zur Pumpe 62. Das Kühlwasser von Motor 1 strömt durch das Dreiwegeventil 61 und das Vierwegeventil 63 in den Wärmetauscher 9, in welchem Wärme absorbiert wird, und kehrt zurück zum Motor 1. Dieselbe Hilfsheizoperation ist möglich, wie sie in Verbindung mit den 5 und 8 beschrieben ist.
In dieser vierten Ausführungsform wird an der Seite des Wärmetauschers 8 für den Innenraum ein geschlossener Kreis geformt, wenn das Vierwegeventil 63 geschaltet ist, sobald die Belastung für den Wärmetauscher 8 für den Innenraum gering ist und die Temperatur im Auslass des Wärmetauschers für den Innenraum niedriger ist als die Temperatur im Auslass des Motors 1. Dies ist in 10 gezeigt.
In 10 verläuft der Strom wie in den 1, 4 und 7. Das vom Motor 1 abgegebene Kühlwasser strömt durch das Dreiwegeventil 61 und die Pumpe 62 in den Wärmetauscher 7, wird dort erwärmt, und strömt zum Wärmetauscher 8 für den Innenraum und tauscht dort Wärme mit der Luft aus. Das Kühlwasser strömt dann weiter durch das Vierwegeventil 63 in den Wärmetauscher 9, wo Wärme absorbiert wird, und kehrt zum Motor 1 zurück. Zusätzlich kann, falls die Belastung des Wärmtauschers 8 für den Innenraum klein ist, die Menge oder die Stromrate an der Pumpe 62 zugeführtem Kühlwasser durch das Dreiwegeventil 61 limitiert sein, so dass eine größere Menge an Kühlwasser durch das Vierwegeventil und das Rückschlagventil 65 zum Motor 1 zurückströmt. Die Menge an durch die Pumpe 62 strömendem Kühlwasser wird stabilisiert durch eine Bypassfunktion, wie oben erwähnt.

Claims

Radiatoreinrichtung für ein Fahrzeug, das als eine Wärmequelle für die Radiatoreinrichtung einen wassergekühlten Motor aufweist, mit einer Wärmetauscheinrichtung (8) zum Heizen des Fahrzeuginnenraums durch Wärmetausch zwischen dem Kühlwasser des Motors (1) und Luft, und einer exothermischen Einrichtung zum Heizen des Kühlwassers, in welcher die exothermische Einrichtung umfasst eine Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite und der Stromaufseite der Wärmetauscheinrichtung (8) und zumindest ein Peltier-Element (10), das eine exothermische Oberfläche angehaftet an die Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite aufweist, eine Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermischen Seite, die an eine endothermische Oberfläche des Peltier-Elementes angehaftet ist, wobei die Wärmetauscheinrichtung (9) an der Stromabseite der Wärmetauscheinrichtung (8) angeordnet ist zum Absorbieren von Wärme aus dem Kühlwasser in einem Rückführstrang zum Motor (1).
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 1, in welcher zum Zirkulieren von Kühlwasser in die Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite eine Pumpe (31, 62) vorgesehen ist und ein Vierwegeventil (32), das zwischen einer ersten Schaltposition und einer zweiten Schaltposition umschaltbar ist, wobei das Vierwegeventil (32) in seiner ersten Schaltposition das die Wärmetauscheinrichtung (8) zum Heizen zu der Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite leitet, während den Motor (1) verlassendes Kühlwasser durch die Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermischen Seite zurück zum Motor (1) geleitet wird, und das Vierwegeventil (32) in seiner zweiten Schaltposition den Motor (1) verlassendes Kühlwasser zu der Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite leitet, während die Wärmetauscheinrichtung (8) zum Heizen verlassendes Kühlwasser durch die Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermischen Seite zurück zu dem Motor (1) geleitet wird.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 2, in welcher das Vierwegeventil (32) in seine erste Schaltposition geschaltet ist, wenn die Temperatur in die Wärmetauscheinrichtung (8) zum Beheizen verlassenden Kühlwasser höher ist als die Temperatur in dem Motor (1) verlassenden Kühlwasser und in seiner zweite Schaltposition geschaltet ist, wenn die Temperatur in dem Motor (1) verlassenden Kühlwasser höher ist als die Temperatur im in die Wärmetauscheinrichtung (8) zum Beheizen verlassenden Kühlwasser.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 2, in welchem zwischen einem Auslassanschluss des Motors und einem Einlassanschluss eines Motorradiators (4) zum Kühlen des Kühlwassers für den Motor (1) ein Rückschlagventil (52) vorgesehen ist, welches Rückschlagventil (52) nur einen Strom in der Richtung von dem Motor zu dem Motorradiator (4) gestattet.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 2, in welchem eine Kühlwasserpumpe (51) vorgesehen ist zum zwangsweisen Zirkulieren von Kühlwasser durch die Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermi schen Seite und den Motor (1) in der ersten Schaltposition des Vierwegeventils (32).
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 1, in welcher eine Kühlwasserpumpe (31, 62) vorgesehen ist zum zwangsweisen Zirkulieren von Kühlwasser in der Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite, und ein Dreiwegeventil (61), das einen Einlassanschluss und erste und zweite Auslassanschlüsse besitzt, von denen der Einlassanschluss verbunden ist mit einem Auslassanschluss des Motors (1), die ersten und zweiten Auslassanschlüsse Kühlwasserströme aufzweigen, und der erste Auslassanschluss verbunden ist mit der Wärmetauscheinrichtung (7) an der exothermischen Seite, und ein Rückschlagventil (64) stromab des ersten Auslassanschlusses des Dreiwegeventils (61) und in einem Bypassstrang, der sich zu einem Rückführstrang zu dem Motor erstreckt, wobei das Rückschlagventil (64) einen Strom gestattet zum Auslassanschluss des Dreiwegeventils (61), und ein Vierwegeventil (62) zwischen dem Auslass der Wärmetauscheinrichtung (8) zum Beheizen und dem zweiten Auslassanschluss des Dreiwegeventils (60), welches umschaltbar ist zwischen einer ersten Schaltposition und einer zweiten Schaltposition, wobei das Vierwegeventil (62) in seiner ersten Schaltposition die Wärmetauscheinrichtung (8) verlassendes Kühlwasser über das Rückschlagventil (64) zu dem ersten Auslassanschluss des Dreiwegeventils (61) und Kühlwasser von dem zweiten Auslassanschluss des Dreiwegeventils (61) durch die Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermischen Seite weiter zu dem Motor leitet in einem geschlossenen Kreis, und das Vierwegeventil (62) in seiner zweiten Schaltposition die Wärmetauscheinrichtung (8) verlassendes Kühlwasser durch die Wärmetauscheinrichtung (9) an der endothermischen Seite und weiter zu dem Motor (1) in einem geschlossenen Kreis leitet.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 6, in welchem das Vierwegeventil (63) in die erste Schaltposition geschaltet ist, wenn die Temperatur im in die Wärmetauscheinrichtung (8) zum Beheizen verlassenden Kühlwasser höher ist als die Temperatur im Kühlwasser des Motors (1), und in seiner zweite Schaltposition geschaltet ist, wenn die Temperatur im Kühlwasser des Motors höher ist als die Temperatur im Kühlwasser, das die Wärmetauscheinrichtung (8) verlässt.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 6, in welchem zwischen dem Vierwegeventil (63) und einem Rückführstrang zu dem Motor (1) in einem Bypassstrang zwischen dem zweiten Auslassanschluss des Dreiwegeventils (61) und dem Rückführstrang zu dem Motor ein zweites Rückschlagventil (65) vorgesehen ist, welches zweite Rückschlagventil (65) einen Strom nur zu dem Motor gestattet.
Radiatoreinrichtung für ein mit einem wassergekühlten Motor angetriebenes Fahrzeug, mit einem Heizkreis, in welchem zumindest ein Wärmetauscher (8) für den Innenraum in Serie mit einem Hilfswärmetauscher (7) und einer dem Hilfswärmetauscher (7) zugeordneten elektrischen Heizeinrichtung vorgesehen ist, in welchem die elektrische Heizeinrichtung konstituiert ist durch wenigstens ein Peltier-Element (10), welches Peltier-Element (10) sandwichartig über jeweilige Wärmetransferanschlüsse angeordnet ist zwischen dem Hilfswärmetauscher (7) und einem zusätzlichen Wärmetauscher (9), wobei der Hilfswärmetauscher (7) an einer exothermischen Seite und der zusätzliche Wärmetauscher (9) an einer endothermischen Seite des Peltier-Elementes (10) angeordnet sind, und wobei der Hilfswärmetauscher (7) stromab des Wärmetauschers (8) für den Innenraum installiert ist.
Radiatoreinrichtung nach Anspruch 9, in welcher innerhalb des Heizkreises zumindest ein Mehrwege-Schaltventil (32, 63) vorgesehen ist, das entweder den Stromabauslass des Wärmetauschers (8) für den Innenraum über den zusätzlichen Wärmetauscher (9) mit dem Kühlwassereinlass des Motors (1) und gleichzeitig den Hilfswärmetauscher (7) mit dem Kühlwasserauslassanschluss des Motors (1) verbindet, oder den Auslassanschluss des Motors (1) über den zusätzlichen Wärmetauscher (9) mit dem Einlassanschluss des Motors und gleichzeitig den Hilfswärmetauscher (7) mit dem Stromabauslass des Wärmetauschers (8) für den Innenraum verbindet.