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Die
Erfindung betrifft einen Kälte- und/oder Wärmespeicher
für ein Klimatisierungssystem eines Fahrzeugs, wobei der
Kälte- und/oder Wärmespeicher zumindest abschnittsweise
dazu vorgesehen ist, mit einem Speichermedium befüllt zu
werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes
eines Kälte- und/oder Wärmespeichers für
ein Klimatisierungssystem eines Fahrzeugs, wobei der Kälte-
und/oder Wärmespeicher zumindest abschnittsweise dazu vorgesehen
ist, mit einem Speichermedium befüllt zu werden.
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Im
Zusammenhang mit Fahrzeugen ist bekannt, Kälte- und/oder
Wärmespeicher zur Standklimatisierung und/oder zur sogenannten Stop-and-go-Klimatisierung
vorzusehen. Im Folgenden wird der Einfachheit halber oft nur von
einem Kältespeicher ge sprochen, obwohl die wesentlichen
Aspekte auch allgemein auf einen Wärmespeicher übertragbar
sind. Der Füllzustand bezeichnet die Menge eines Speichermediums,
mit dem der Kälte- und/oder Wärmespeicher befüllt
ist. Der Ladezustand bezeichnet die in dem Speichermedium, mit dem
der Kälte- und/oder Wärmespeicher befüllt
ist, gespeicherte Kälte/Wärme.
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Der
Kältespeicher kann beispielsweise über einen Kompressionskältekreislauf
geladen und über einen Kühlmittelkreis entladen
werden. Vorzugsweise enthält der Kältespeicher
zu diesem Zweck einen mit dem Kompressionskältekreislauf
in Verbindung stehenden Verdampfer und einen mit dem Kühlmittelkreis
in Verbindung stehenden Wärmetauscher. Für einen
optimalen Betrieb des Klimatisierungssystems ist es erforderlich,
den Ladezustand des Kältespeichers zu kennen. In der
DE 10 2004 030 074
A1 wurde bereits vorgeschlagen, die Temperatur im Kältespeicher
als Maß für den Ladezustand des Kältespeichers
heranzuziehen. Wenn der Kältespeicher jedoch beispielsweise
Wasser als phasenwechselndes Kältespeichermedium enthält,
beträgt die Temperatur unabhängig vom aktuellen
Ladezustand des Kältespeichers stets ca. 0°C,
vorausgesetzt es ist noch Eis im Kältespeicher vorhanden.
Die Erfassung der Temperatur im Kältespeicher stellt daher
kein optimales Maß für den aktuellen Ladezustand
dar, zumindest dann nicht, wenn sie nur an einer Stelle im Kältespeicher
erfasst wird. Als Alternative wird in der genannten
DE 10 2004 030 074 A1 weiterhin
vorgeschlagen, die Ladedauer des Kältespeichers als Maß für
dessen Ladezustand heranzuziehen. Auch diese Lösung ist
nicht optimal, da sich bei konstanter Ladedauer beispielsweise für
unterschiedliche Umgebungstempera turen oder andere Startbedingungen
unterschiedliche Ladezustände ergeben.
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Aus
der
DE 10 235 581
C1 ist es weiterhin bekannt, die sich ändernden
mechanischen Eigenschaften des Latentwärmespeichers bei
einem Phasenwechsel zu erfassen, und so auf den Ladezustand des
Kältespeichers zu schließen.
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Auch
ist eine Bestimmung des Ladezustand eines nur teilweise befüllten
Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 mit
den bisher bekannten Verfahren kaum durchführbar. Die teilweise
Befüllung des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 ist
jedoch sehr vorteilhaft, da auf diese Weise eine Gewichtsreduktion des
Fahrzeugs 14 erreicht werden kann. So kann beispielsweise
im Frühling oder Herbst, das heißt bei gemäßigten
Temperaturen, das Fahrzeug mit leerem oder nur teilweise befülltem
Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 betrieben
werden, wenn das Klimatisierungssystem 12 nicht oder nur
mit herabgesetzter Leistung benötigt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige,
genaue und zuverlässige Bestimmung des Füll- und
Ladezustands eines Kälte- und/oder Wärmespeichers
zu ermöglichen und dabei die genannten Nachteile des Standes
der Technik zu beseitigen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Kälte-
und/oder Wärmespeicher dadurch auf, dass er eine Sensoreinrichtung
aufweist, die sowohl zur Erfassung des Speichermedium-Füllzustands
als auch zur Erfassung des Kälte- und/oder Wärmespeicher-Ladezustands
vorgesehen ist. Durch die Verwendung einer einzigen Sensoreinrichtung,
die sowohl den Speichermedium-Füllzustand als auch den Ladezustand
des Kälte- und/oder Wärmespeichers erfassen kann,
wird die Gesamtkonstruktion des Kälte- und/oder Wärmespeichers
vereinfacht, wobei gleichzeitig noch alle wesentlichen Informationen
zur Bestimmung des Ladezustands des Kälte- und/oder Wärmespeichers
erfasst werden können. Der Kälte- und/oder Wärmespeicher
kann leer ausgeliefert und verbaut werden und bei Bedarf von Kunden
aufgefüllt werden. Wird Beispielsweise ein einfacher kubischer Kältespeicher
bei Raumtemperatur mit Wasser befüllt, so kann die erfindungsgemäße
Sensoreinheit mit einem Schwimmer den Füllzustand des Kältespeichers
detektieren und bei 91% Füllzustand, d. h. 91% Volumen
gefüllt, die maximal zulässige Befüllung
des Kältespeichers mit Wasser melden. Die Befüllung
wird in diesem Moment beendet und die Wassermenge in dem Kältespeicher
ist festgelegt. Wird nun der Kältespeicher beladen, das
heißt dem Kältespeicher wird beispielsweise Kälte
zugeführt, so beginnt das Wasser bei erreichen des Gefrierpunktes Eis
zu bilden. Die Eisbildung vollzieht sich nicht spontan und nicht
an allen Orten gleichzeitig, da für den Phasenübergang
Wasser-Eis dem Kältespeicher erst die notwendige Übergangskälte
zugeführt werden muss. Da Eis eine geringere Dichte als
Wasser aufweist, steigt mit zunehmender Vereisung das Volumen des
Wasser/Eis-Gemischs an. Wenn das Wasser vollständig gefroren ist,
ist der Kältespeicher vollständig geladen und
das Volumen des Kältespeichers ist wegen der Volumenausdehnung
am Phasenübergang zu 100% mit Eis gefüllt. Die
100% Volumenfüllung wird von der Sensoreinheit mit dem Schwimmer
detektiert, und so die vollständige Ladung des Kältespeichers
festgestellt. Wird die Beladung mit Kälte beendet, bevor
das Wasser vollständig gefroren ist, so kann die dann geringere
Volumenausdehnung ebenfalls als Maß für den Ladezustand herangezogen
werden.
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Nützlicherweise
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung im oberen Bereich
des mit dem Speichermedium befüllbaren Volumens eines Trägerelements
des Kälte- und/oder Wärmespeichers angeordnet
ist. Das verwendete Speichermedium weist im Allgemeinen eine größere
Dichte als Luft auf, das heißt es wird sich am Boden eines
befüllbaren Volumens eines Trägerelements ansammeln
und diesen von unten nach oben auffüllen. Falls die Grenzschicht
Luft-Speichermedium zur Erfassung des Füllzustands bestimmt
werden soll und falls der Füllzustand nur detektierbar
sein soll, wenn der Kälte- und/oder Wärmespeicher
mindestens zur Hälfte mit Speichermedium befüllt
ist, kann die Größe der Sensoreinrichtung reduziert
werden, indem sie nur im oberen Bereich des Trägerelements
angeordnet wird.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Schwimmer
aufweist. Mit Hilfe eines Schwimmers lässt sich in einfacher
Weise die Grenzschicht zwischen zwei Stoffen unterschiedlicher Dichte
bestimmen.
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Nützlicherweise
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen Magnetsensor
aufweist. Ein Magnetsensor kann beispielsweise die Position eines
mit einem Magneten ausgestatteten Schwimmers detektieren, und auf
diese Weise den Speichermedium-Füllzustand des Kälte-
und/oder Wärmespeichers bestimmen.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung einen kapazitiven
Sensor aufweist. Ein kapazitiver Sensor kann beispielsweise die Position
eines Schwimmers anhand einer Kapazitätsveränderung
feststellen, um so den Speichermedium-Füllzustand des Kälte-
und/oder Wärmespeichers zu bestimmen.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung in einer Aussparung
zumindest eines Trägerelements angeordnet ist, in welches
das Speichermedium eindringen kann. Die Bestimmung des Speichermedium-Füllzustands
kann insbesondere dann in einfacher Weise geschehen, wenn eine für
die Sensoreinheit zugängliche Luft-Speichermedium-Grenzschicht
vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung mindestens zwei
verschiedene Schaltpositionen aufweist, die von einem Schwimmer
beeinflusst werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise
bei einer ersten Schaltposition ein definierter Speichermedium-Füllzustand des
ungeladenen Kälte- und/oder Wärmespeichers detektiert
werden und bei einer zweiten Schaltposition ein definierter Ladezustand
des Kälte- und/oder Wärmespeichers detektiert
werden. Durch das Anbringen zusätzlicher Schaltpositionen
kön nen in einfacher Weise weitere definierte Ladezustände
des Kälte- und/oder Wärmespeichers detektiert
werden.
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Besonders
bevorzugt ist, dass die Sensoreinrichtung in einer Weise ausgebildet
ist, dass zumindest der Speichermedium-Ladezustand des Kälte-
und/oder Wärmespeichers kontinuierlich erfassbar ist. Durch
die Erfassung des anfänglichen Speichermedium-Füllzustands
wird es möglich, den Ladezustand des Kälte- und/oder
Wärmespeichers präzise zu ermitteln.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium bei einem Phasenübergang
fest-flüssig einen Sprung in der spezifischen Dichte aufweist.
Wenn der Kälte- und/oder Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher
ist, der einen fest-flüssigen Phasenübergang verwendet,
bietet ein Sprung in der spezifischen Dichte die Möglichkeit
zur genauen Bestimmung des aktuell vorliegenden Phase-Verhältnisses.
Dies kann durch Erfassung des aktuellen Speichemediumvolumens mit
der erfindungsgemäß vorgesehenen Sensoreinrichtung
erfolgen.
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Die
Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren
dadurch auf, dass es folgende Schritte umfasst:
- – Befüllen
des Kälte- und/oder Wärmespeichers mit Speichermedium,
- – Erfassen des Speichermedium-Füllzustandes auf
der Grundlage von zumindest einem von einer Sensoreinrichtung gelieferten
Signal,
- – Laden des Kälte- und/oder Wärmespeichers,
- – Bestimmen des Kälte- und/oder Wärmespeicher-Ladezustands
auf der Grundlage von zumindest einem nach dem Laden von der Sensoreinrichtung
gelieferten Signal.
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Auf
diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen
Kälte- und/oder Wärmespeichers auch im Rahmen
eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend
angegebene besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der die Sensoreinrichtung eine Volumenänderung des
Speichermediums erfasst, über die auf den Ladezustand geschlossen
wird.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand
besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Sensoreinrichtung für einen erfindungsgemäßen
Kälte- und/oder Wärmespeicher und
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2 ein
schematisiert dargestelltes Fahrzeug mit einem Klimatisierungssystem,
das einen erfindungsgemäßen Kälte- und/oder
Wärmespeicher verwendet.
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1 zeigt
eine Sensoreinrichtung 18 für einen erfindungsgemäßen
Kälte- und/oder Wärmespeicher. Die Sensoreinrichtung 18 weist
ein äußeres Rohr 30 ohne Boden auf, in
dessen Inneren ein inneres Rohr 32 mit Boden angeordnet
ist, dessen Längsachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse des äußeren
Rohres 30 ist. Im Inneren des inneren Rohres 32 mit
Boden sind mehrere Leitungen 34, 36 und 38 angeordnet,
die geeignet sind, an einer ersten Schaltposition 26 oder
einer zweiten Schaltposition 28 verschiedene Stromkreise
zu schließen. Zwischen dem inneren Rohr 32 und
dem äußeren Rohr 30 befindet sich ein
Schwimmer 20, der auf der Grenzschicht zwischen Luft und
Speichermedium 16 schwimmt.
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Wird
der Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 mit
Speichermedium 16 befüllt, so erreicht die Grenzschicht 40 zwischen
Luft und Speichermedium während des Befüllvorgangs
die Sensoreinheit 18. Das Speichermedium 16 kann
mit zunehmender Befüllung im Inneren des äußeren
Rohres 30 nach oben steigen, wobei der Schwimmer 20 auf
der Grenzschicht 40 ebenfalls nach oben steigt. Der Schwimmer 20 kann
beispielsweise ringförmig das innere Rohr 32 umfassend
ausgebildet sein. Wenn in dem Schwimmer 20 weiterhin Magnete
angeordnet sind oder der Schwimmer 20 magnetisch ist, kann
der Schwimmer bei Erreichen der Höhe der zweiten Schaltposition 28 einen
Magnetschalter beeinflussen, der einen Stromkreis schließt.
Die Sensoreinheit 18 detektiert so den der zweiten Schaltposition
zugehörigen Speichermedium-Füllzustand. Die Sensoreinrichtung 18 mit
dem Magnet-Schwimmer 20 detektiert somit die verschiedenen
Schaltpositionen 26, 28 nach Art eines Magnetsensors.
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Die
Befüllung des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 wird
bei diesem definierten Speichermedium-Füllzustand beendet
und das Beladen des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10,
beispielsweise mit Kälte, kann beginnen. Durch das Zuführen
von Kälte dehnt sich das Speichermedium 16, zum
Beispiel Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch, bei Erreichen des
Gefrierpunktes stark aus, da die spezifische Dichte von Wasser beim
Phasenübergang flüssig-fest einen Sprung macht.
Ist also ein Teil des Speichermediums 16 innerhalb des
Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 verfestigt,
so macht sich dies in einer Volumenzunahme bemerkbar, infolgedessen die
Grenzschicht 40 zusammen mit dem Schwimmer 20 innerhalb
des äußeren Rohres 30 nach oben steigt.
Bei Erreichen einer ersten Schaltposition 26 ist der Schwimmer 20 innerhalb
des Rohres 30 um eine Höhe 42 gestiegen.
Dies wird durch die Sensoreinheit 18 durch das Schließen
eines elektrische Leitungen 34 und 36 aufweisenden
Stromkreises detektiert. Da das ursprünglich im Kälte-
und/oder Wärmespeicher 10 vorhandene Volumen des
Speichermediums 16 bei der zweiten Schaltposition 28 bekannt
ist, beispielsweise durch Eichung, und das bei der ersten Schaltposition 26 vom
Speichermedium 16 im Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 beanspruchte
Volumen ebenfalls bekannt ist, kann aus der Volumendifferenz direkt
der Ladezustand des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 bestimmt
werden. Durch das Hinzufügen weiterer Schaltpositionen
im Inneren des inneren Rohres 32 ist es weiterhin möglich
weitere definierte Ladezustände des Kälte- und/oder
Wärmespeichers 10 zu bestimmen.
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Entspricht
beispielsweise die zweite Schaltposition 28 einer 91%igen
Füllung des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 mit
flüssigem Wasser und die erste Schaltposition 26 einem
vollständig mit Eis gefüllten Kälte-
und/oder Wärmespeicher 10, so entspricht die zweite
Schaltposition 28 dann auch dem ungeladenen und die erste
Schaltposition 26 dem vollständig geladenen Kälte-
und/oder Wärmespeicher 10. Zusätzliche
Schaltpositionen zwischen der ersten Schaltposition 26 und der
zweiten Schaltposition 28 können bei Bedarf teilgeladenen
Zuständen des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 entsprechen.
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Es
ist nicht zwingend notwendig, dass zur Bestimmung des Ladezustandes
ein Phasenübergang mit sprunghafter Volumenänderung
des Speichermediums 16 ausgenützt wird. Die Volumenänderung
des Speichermediums 16 bei Temperaturänderung
ist dafür im Prinzip ausreichend, jedoch aufgrund der etwas
geringeren Auswirkung auf das Gesamtvolumen des Speichermediums 16 etwas schwieriger
zu detektieren.
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2 zeigt
ein schematisiert dargestelltes Fahrzeug 14 mit einem Klimatisierungssystem 12, das
einen erfindungsgemäßen Kälte- und/oder
Wärmespeicher 10 verwendet. Im Inneren des Kälte- und/oder
Wärmespeichers 10 ist ein Trägerelement 24 dargestellt,
das eine Aussparung 22 aufweist, in dessen Inneren die
Sensoreinheit 18 angeordnet ist. Das Trägerelement 24 kann
beispielsweise aus einem porösen Metallschaum gebildet
werden. An den Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 ist
ein Kühlkreislauf 44 mit einer Pumpe 46 und
einem Wärmetauscher 48 mit einem Lüfter 50 angeschlossen.
Im Inneren des Kühlkreislaufs 44 wird ein Kühlmittel
umgewälzt, mit dessen Hilfe über den Wärmetauscher 48 z.
B. Raumluft gekühlt werden kann.
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Weiterhin
ist ein an den Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 angeschlossener
Kältekreislauf 52 dargestellt, der einen Kompressor 54,
einen Wärmetauscher 56 mit Lüfter 58 und
ein Expansionsorgan in Form einer Drossel 60 aufweist.
Im Inneren des Kältekreislaufs 52 wird ein Kältemittel
bewegt, über das dem Kälte- und/oder Wärmespeicher 10 beispielsweise
Kälte zugeführt werden kann.
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Angedeutet
dargestellt ist, dass die Aussparung 22 beliebig weit in
das Trägerelement 24 hineinreichen kann, um die
Verwendung einer Sensoreinrichtung 18 zu erlauben, die
beliebige Speichermedium-Füllstände detektieren
kann. Durch die Verwendung einer tiefer in das Trägerelement 24 hineinragenden
Sensoreinrichtung 18, wie in 2 gestrichelt
angedeutet, kann jeder denkbare Füllstand des Speichermediums 16 detektiert
werden und weiterhin auch beliebige den jeweiligen Füllständen
zugehörige Ladezustände detektiert werden.
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Eine
durch die oberen sechzig Prozent eines kubischen Trägerelements 24 hindurchreichende Ausnehmung 22 kann
beispielsweise eine Sensoreinrichtung 18 aufnehmen, die
die fünfzigprozentige Befüllung des Kältespeichers
mit Wasser detektieren kann, da der Schwimmer 20 die dieser
Befüllung entsprechende Höhe A in der Sensoreinrichtung 18 erreichen
kann. Wird der Kältespeicher nach der Befüllung
bis zur Höhe A solange mit Kälte geladen, bis das
Wasser vollständig gefroren ist, so hat sich das beanspruchte
Volumen dementsprechend erhöht und der Schwimmer ist um
eine Höhe B innerhalb der Sensoreinheit 18 gestiegen.
Diese Position kann von der Sensoreinheit 18 detektiert
werden. Wurde der Kältespeicher nur solange mit Kälte
geladen, bis die Hälfte des Wassers gefroren ist, so ist
das beanspruchte Volumen weniger stark gewachsen und der Schwimmer
ist Ausgehend von A nur um eine Höhe C gestiegen, wobei
C etwa B/2 beträgt. Auch diese Position ist von der Sensoreinheit 18 detektierbar
und entspricht einer fünfzigprozentigen Ladung. Selbstverständlich ist
es ebenfalls möglich, dass der Messbereich der Sensoreinrichtung 18 bis
zum Boden reicht.
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Wird
die Sensoreinrichtung 18 mit einem dem Fachmann bekannten
Verfahren zur kontinuierlichen Füllstandsmessung ausgerüstet,
so kann bei einem beliebigen aber festen Befüllungsgrad
des Kälte- und/oder Wärmespeichers 10 der
jeweils zugehörige Ladezustand präzise über
die Volumenänderung des Speichermediums 16 bestimmt
werden. Die Position der Grenzschicht 40 innerhalb des äußeren
Rohres 30 kann beispielsweise durch einen Distanzsensor
berührungslos bestimmt werden, wobei Ultraschall-Impulse
oder Mikrowellen verwendet werden. Es ist auch denkbar dass der
Schwimmer 20 an einem Hebel oder Seil befestigt ist, und
so ein Potentiometer ansteuert. Ein kapazitiver Sensor zur Bestimmung
der Position des Schwimmers, der auf einer veränderten
Kapazität bei Annäherung des Schwimmers beruht,
ist ebenfalls denkbar.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Kälte-
und/oder Wärmespeicher
- 12
- Klimatisierungsanlage
- 14
- Fahrzeug
- 16
- Speichermedium
- 18
- Sensoreinrichtung
- 20
- Schwimmer
- 22
- Aussparung
- 24
- Trägerelement
- 26
- erste
Schaltposition
- 28
- zweite
Schaltposition
- 30
- äußeres
Rohr ohne Boden
- 32
- inneres
Rohr mit Boden
- 34
- elektrische
Leitung
- 36
- elektrische
Leitung
- 38
- elektrische
Leitung
- 40
- Grenzschicht
- 42
- Abstand
der Schaltpositionen
- 44
- Kühlkreislauf
- 46
- Pumpe
- 48
- Wärmetauscher
- 50
- Lüfter
- 52
- Kältekreislauf
- 54
- Kompressor
- 56
- Wärmetauscher
- 58
- Lüfter
- 60
- Drossel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004030074
A1 [0004, 0004]
- - DE 10235581 C1 [0005]