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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Kraftfahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung Kühlvorrichtungen für Verbrennungsmotoren.
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Stand der Technik
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 028 925 A1 ist bekannt, ein Abgas aus einem Verbrennungsmotor mit einer Wärmekraftmaschine zu kühlen und in diesem Fall die Abwärme des Abgases zum Heizen eines Katalysators zur Nachbehandlung des Abgases zu verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verbrennungsmotor mit der Kühlvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Kühlvorrichtung einen von einem Arbeitsmittel durchströmbaren Wärmekreis mit einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie aus einem zu kühlenden Objekt auf das Arbeitsmittel und einem Energiewandler zum Wandeln wenigstens eines Teils der aufgenommenen Energie aus dem Arbeitsmittel in eine andere Energie, wobei der Wärmetauscher als Adsorptionswärmetauscher ausgebildet ist.
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Der obigen Kühlvorrichtung liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Adsorptionswärmetauscher durch physikalische oder chemische Adsorption eines Arbeitsmittels Wärmeenergie freisetzt oder dass der Adsorptionswärmetauscher unter Wärmeenergiezufuhr ein zuvor physikalisch oder chemisch adsorbiertes Arbeitsmittel wieder frei gibt.
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Die obige Kühlvorrichtung macht sich diese Eigenschaft des Adsorptionswärmetauschers zunutze. Während einer Startphase des Wärmekreises, wenn das zu kühlende Objekt zu kalt ist, kann der Adsorptionswärmetauscher das Arbeitsmittel im Wärmekreis adsorbieren, so Wärmeenergie freisetzen und das kalte, eigentlich zu kühlende Objekt auf seine Arbeitstemperatur aufwärmen. Wird das zu kühlende Objekt zu warm, so gibt es Wärmeenergie an den Adsorptionswärmetauscher ab, der nunmehr das zuvor adsorbierte Arbeitsmittel wieder frei gibt. Im stationären Betrieb nach der Startphase, wenn der Adsorptionswärmetauscher auf die Betriebstemperatur des zu kühlenden Objekts aufgewärmt ist, funktioniert der Wärmekreis dann in bekannter Weise.
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Der Adsorptionswärmetauscher bewirkt daher in einer Startphase genau das Gegenteil einer Kühlung, also eine Aufwärmung, was jedoch sinnvoll sein kann, um das zu kühlende Objekt schneller an seine Betriebstemperatur heranzuführen.
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In einer Ausführungsform der angegebenen Kühlvorrichtung kann der Adsorptionswärmetauscher ausgebildet sein, um die Wärmeenergie aus einem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da ein kalter Verbrennungsmotor in einer Startphase für eine optimale Verbrennung zunächst auf seine Betriebstemperatur aufgewärmt werden muss. In dieser Startphase verbraucht der Verbrennungsmotor mehr Kraftstoff. Durch diese Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann die Aufwärmung des Verbrennungsmotors in seiner Startphase verkürzt werden, was sich unmittelbar in einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch auswirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann der Adsorptionswärmetauscher alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um die Wärmeenergie aus einem Abgas aus dem Verbrennungsmotor aufzunehmen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn das Abgas für eine vollständigere Verbrennung in einem Katalysator nachbehandelt werden soll. Da ein solcher Katalysator ebenfalls auf eine bestimmte Betriebstemperatur aufgeheizt werden muss, kann die obige Kühlvorrichtung in einer Startphase des Verbrennungsmotors helfen, hier das Aufheizen zu beschleunigen, den Katalysator schneller in einen betriebsbereiten Zustand zu überführen und damit den Ausstoß giftiger, unoder teilverbrannter Abgase zu verringern.
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In einer besonderen Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung können ein Abgasstrom durch den Adsorptionswärmetauscher und ein Arbeitsmittelstrom durch den Adsorptionswärmetauscher einander entgegengerichtet sein. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass das Arbeitsmittel mit einer niedrigeren Temperatur in den Adsorptionswärmetauscher eintritt, als es aus dem Adsorptionswärmetauscher austreten sollte. Damit das Arbeitsmittel in diesem Fall über den gesamten Strömungsweg durch den Adsorptionswärmetauscher Wärme aufnehmen kann, sollte das Abgas daher am Austritt des Arbeitsmittels aus dem Adsorptionswärmetauscher heißer sein als am Eintritt. Dies wird durch die einander entgegen gerichteten Strömungsrichtungen erreicht.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die obige Kühlvorrichtung ein Mittel zum Unterbrechen eines Stroms des Arbeitsmittels durch den Wärmekreis umfassen. Das Mittel zum Unterbrechen des Stroms kann beliebig, beispielsweise als Ventil oder anderes Schaltmittel, ausgebildet sein. Mit dem Mittel zum Unterbrechen des Arbeitsmittelstroms kann das Arbeitsmittel beim Abstellen der Kühlvorrichtung und damit des Wärmekreises adsorbiert werden, ohne dass weiteres Arbeitsmittel in den Adsorptionswärmetauscher nachströmt. Beim Neustart der obigen Kühlvorrichtung und damit des angegebenen Wärmekreises kann der Adsorptionswärmetauscher auf diese Weise mehr Arbeitsmittel adsorbieren und damit mehr Wärmeenergie erzeugen, so dass in der Startphase das Aufwärmen des zu kühlenden Objekts auf seine Betriebstemperatur effektiver durchführbar ist.
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In einer besonderen Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann das Mittel zum Unterbrechen des Stroms ausgebildet sein, um den Adsorptionswärmetauscher aus dem Wärmekreis zu trennen. Im Rahmen dieser Ausführungsform wird der Arbeitsmittelstrom eingangsseitig und ausgangsseitig am Adsorptionswärmetauscher unterbrochen, so dass der Adsorptionswärmetauscher nachdem er im Betrieb des Wärmekreises ausgetrocknet wurde, im Stillstand der obigen Kühlvorrichtung trocken bleibt, da von keiner Seite des Adsorptionswärmetauschers Arbeitsmittel in diesen eintreten kann.
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In einer besonderen Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann der Adsorptionswärmetauscher Zeolith als Adsorptionsmittel umfassen. Zeolith ist ein Adsorptionsmittel, das zu einer effektiven Adsorption von Wasser in der Lage ist. Der Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass das adsorbierte Wasser im Adsorptionswärmetauscher selbst bei Temperaturen unterhalb des Wassergefrierpunktes keinen verfestigten Aggregatzustand einnimmt und den Adsorptionswärmetauscher daher nicht sprengen kann. Auf diese Weise kann die obige Kühlvorrichtung selbst mit Wasser als Arbeitsmittel frostsicher ausgestaltet werden, da der Zeolith das Wasser im Stillstand der Kühlvorrichtung adsorbiert und somit den Wärmekreis austrocknet. Dadurch wird verhindert, dass sich das Wasser in einem gefrorenen Zustand im Wärmekreis ausdehnt und diesen aufgrund dieser Ausdehnung beschädigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann das Adsorptionsmittel durch ein Wärmekontaktmaterial von dem zu kühlenden Objekt getrennt sein. Das zu kühlende Objekt könnte selbst ein adsorbtionsfähiges Adsorbtiv, wie beispielsweise Wasser, darstellen, dessen Adsorption jedoch durch das Wärmekontaktmaterial, wie beispielsweise Metall, wirksam unterbunden werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der obigen Kühlvorrichtung kann der Adsorptionswärmetauscher in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels betrachtet einen matrixförmigen Querschnitt aufweisen. Auf diese Weise wird die Kontaktoberfläche zwischen dem Adsorptionsmittel des Adsorptionswärmetauschers und dem Arbeitsmittel als Adsorbtiv vergrößert, was zu einer effektiveren Adsorption führt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Dampfstrahlkältemaschine eine der obigen Kühlvorrichtung mit dem Wärmekreis, einem Kältekreis und eine Energieübertragungseinrichtung, wie beispielsweise eine Saugstrahlpumpe, zum Übertragen einer Enthalpie eines Arbeitsmittels im Wärmekreis auf ein Arbeitsmittel im Kältekreis. Eine derartige Dampfstrahlkältemaschine könnte beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um basierend auf der Abwärme eines Verbrennungsmotors und/oder eines Abgases aus dem Verbrennungsmotor einen Innenraum einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zu kühlen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoffs zu einem Abgas sowie eine der obigen Kühlvorrichtungen zum Kühlen der Brennkammer und/oder des Abgases mit der Wärmekraftmaschine.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Dampfstrahlkältemaschine;
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2 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und einer an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Kühlvorrichtung;
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3 eine schematische Ansicht eines Adsorptionswärmetauschers; und
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4 eine schematische Ansicht eines weiteren Adsorptionswärmetauschers.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht einer Dampfstrahlkältemaschine 2 zeigt.
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Die Dampfstrahlkältemaschine 2 soll in der vorliegenden Ausführung beispielhaft als Kältemaschine beschrieben werden. Die Dampfstrahlkältemaschine 2 kann einen Kaltdampfprozess umsetzen, bei dem Wasserdampf als Treibmittel, als Kältemittel und als Kälteträger verwendet werden kann.
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Im Rahmen dieses Kaltdampfprozesses wird als thermischer Energieträger in einem Hochdruckverdampfer 4 sowie einem weiteren Wärmetauscher 5 ein Hochdruckwasserdampf 6 erzeugt und in eine Saugstrahlpumpe 8 geleitet. In der vorliegenden Ausführung können der Hochdruckverdampfer 4 und/oder der Wärmetauscher 5 über Absperrhähne 9 von dem Treibmittelkreislauf getrennt werden.
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Die Saugstrahlpumpe 8 umfasst eine Treibdüse 10 und einen Auslaufdiffusor 12. In der Treibdüse 10 wird der Hochdruckwasserdampf 6 in einer dem Fachmann bekannten Weise auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt, so dass die Druckenergie des Hochdruckwasserdampfes 6 in kinetische Strömungsenergie umgesetzt wird. Durch den beschleunigten Hochdruckwasserdampf 6 entsteht in einer zur Treibdüse 10 gehörenden und nicht weiter dargestellten Mischkammer ein Unterdruck, der aus einem Niederdruckverdampfer 14 einen Niederdruckdampf 16 ansaugt. Der Niederdruckdruckdampf 16 vermischt sich in der Mischkammer der Treibdüse 10 mit dem beschleunigten Hochdruckdampf 6. Der Mischdampf 18 aus dem Hochdruckdampf 6 und dem Niederdruckdampf 16 wird im Auslaufdiffusor 12 gesammelt und stoßweise an eine Kühlvorrichtung 20 abgegeben.
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Das heißt, dass der Hochdruckdampf 6 mit dem größten Druck in die Saugstrahlpumpe 8 eintritt. Der stoßweise aus der Saugstrahlpumpe 8 austretende Mischdampf 18 erzeugt in der Saugstrahlpumpe 8 stoßweise Unterdrücke, die den Unterdruckdampf 16 in die Saugstrahlpumpe 8 einsaugen. Damit weist der Unterdruckdampf 16 an den Anschlüssen der Saugstrahlpumpe 8 den geringsten Druck auf.
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An der Kühlvorrichtung 20 wird der Mischdampf 18 gekühlt und zu einem Mischdruckwasser 22 kondensiert. Das Mischdruckwasser 22 wird dann einerseits über eine drucksenkende Drossel 24 auf den Unterdruckverdampfer 14 und andererseits über eine drucksteigernde Pumpe 26 auf den Hochdruckverdampfer 4 aufgeteilt. Aus dem Niederdruckwasser 28 beziehungsweise dem Hochdruckwasser 30 wird dann entsprechend im Niederdruckverdampfer 14 beziehungsweise im Hochdruckverdampfer 4 der Niederdruckdampf 16 beziehungsweise der Hochdruckdampf 16 erzeugt.
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Im Ergebnis nehmen das Hochdruckwasser 6 und das Niederdruckwasser 16 entsprechend im Hochdruckverdampfer 14 beziehungsweise im Niederdruckverdampfer 14 thermische Energie auf und geben diese in der Kühlvorrichtung 20 wieder ab. Für den Wärmeaustausch können am Hochdruckverdampfer 6, am Niederdruckverdampfer 16 und an der Kühlvorrichtung 20 entsprechend Hochdruckheizanschlüsse 32, Niederdruckheizanschlüsse 34 und Kühlanschlüsse 36 ausgebildet sein, über die durch die Wärmetauscher 4, 5 ein entsprechendes Wärmetransportmedium, wie beispielsweise wieder Wasser, geleitet werden kann, um im Rahmen des Wärmetausches Wärmeenergie 38 an den Hochdruckdampf 6 und den Niederdruckdampf 16 abzugeben beziehungsweise in der Kühlvorrichtung 20 Wärmeenergie 38 aus dem Mischdampf 18 aufzunehmen.
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Das Prinzip dieser Dampfstrahlkältemaschine 2 soll im Rahmen der vorliegenden Ausführung in einem in 2 dargestellten Verbrennungsmotor 40 genutzt werden, der in einem nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeug zu dessen Antrieb verbaut ist und über einen ebenfalls in 2 dargestellten Kühlkreislauf 41 gekühlt werden kann. Dabei sollte die in der Dampfstrahlkältemaschine 2 abzugebende Wärmeenergie 38 beispielsweise über die Kühlanschlüsse 34 und ein entsprechendes die Kühlanschlüsse 34 durchströmendes Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, an einen nicht weiter dargestellten Frontend-Kühler des Kraftfahrzeugs abgegeben werden, der somit die abzugebende Wärmeenergie 38 aus der Dampfstrahlkältemaschine 2 abführt.
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Der Verbrennungsmotor 40 erzeugt bei seiner Verbrennung eine Abwärme, die zum Aufwärmen des Hochdruckwassers 30 im Hochdruckverdampfer 4 verwendet werden soll. Das verdampfte Hochdruckwasser 30, also der Hochdruckwasserdampf 6, wird ferner über den Wärmetauscher 5 weiter erhitzt. Anschließend wird mit dem Hochdruckwasserdampf 6 der Niederdruckwasserdampf 16 in die Saugstrahlpumpe 8 angesaugt. Damit kann der den Niederdruckwasserdampf 16 erzeugende Niederdruckverdampfer 14 beispielsweise an eine nicht weiter dargestellte Klimaanlage in dem Kraftfahrzeug zur Kühlung des Innenraums des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden, wodurch alternative Kühlkonzepte, die eine elektrische oder mechanische Energiezufuhr voraussetzen, überflüssig sind.
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Zur technischen Umsetzung des zuvor beschriebenen Konzepts wird ein gekühltes Kühlwasser 42 durch den Verbrennungsmotor 40 geleitet. Das so aufgeheizte Kühlwasser 46 wird im Normalbetrieb des Kühlkreislaufs 41 über ein noch zu beschreibendes Bypassventil 48 an einen Ölwärmetauscher 50 geleitet, über den mit dem aufgeheizten Kühlwasser 46 ein Motoröl 52 des Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann, das dem Ölwärmetauscher 50 über eine Ölpumpe 54 zugeführt wird. Auf diese Weise wird dem aufgeheizten Kühlwasser 46 weitere Wärmeenergie 38 zum Betrieb der Dampfstrahlkältemaschine 2 zugeführt. Sollte die Temperatur des aufgeheizten Kühlwassers 46 zum Betrieb der Dampfstrahlkältemaschine 2 weiterhin zu gering sein, so kann dieses optional über ein beispielsweise geregelt ausgeführtes Heizelement 56 auf die notwendige Temperatur aufgeheizt werden, bevor es über die Hochdruckanschlüsse 32 der Dampfstahlkältemaschine 2 zugeführt wird.
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In der Dampfstrahlkältemaschine 2 wird das aufgeheizte Kühlwasser 46 gekühlt und nach seinem Wiedereintritt in den Kühlkreislauf 41 über die Hochdruckanschlüsse 32 als gekühltes Kühlwasser 42 zur Abkühlung des Verbrennungsmotors 40 über ein weiteres Bypassventil 48 wieder zu diesem zurückgeleitet. Die Rückleitung des gekühlten Kühlwassers 42 zum Verbrennungsmotor 40 kann dabei über eine Treibpumpe 58 erfolgen.
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Auf diese Weise kann die Abwärme des Verbrennungsmotors 40 unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Betriebsweise der Dampfstrahlkältemaschine 2 zur Kühlung der Fahrgastzelle in dem bereits erwähnten Kraftfahrzeug als Wärmeenergie 38 verwendet werden. Weitere Kühlkonzepte sollen jedoch durch die beschriebene Ausführung nicht ausgeschlossen werden.
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Sollte während des Betriebs des Kühlkreislaufs 41 eine Kühlung des Motoröls 52 durch den Kühlkreislauf 41 zu Problemen führen, so kann das Motoröl 52 im Rahmen der vorliegenden Ausführung über ein Bypassventil 48 am Ölwärmetauscher 50 vorbeigeleitet werden, so dass der Kühlkreislauf 41 keinen Einfluss mehr auf das Motoröl 52 hat. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn das Motoröl 52 ausreichend gekühlt ist oder die Temperatur des in den Ölwärmetauscher 50 eintretenden Motoröls 52 bereits so niedrig ist, dass das in den Ölwärmetauscher 50 eintretende Motoröl 52 Wärmeenergie aus dem aufgeheizten Kühlwasser 46 aufnimmt und nicht an dieses abgibt.
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Das in Fließrichtung des Kühlwassers 42, 46 betrachtet stromabwärts des Verbrennungsmotors 40 angeordnete Bypassventil 38 kann das aufgeheizte Kühlwasser 46 beispielsweise während eines Starts des oben genannten Kraftfahrzeugs an der Dampfstrahlkältemaschine 2 vorbeileiten und zum Aufheizen eines Getriebes 60 des Kraftfahrzeugs nutzen. Dazu wird das aufgeheizte Kühlwasser 46 beispielsweise durch einen entsprechenden Getriebewärmetauscher 62 geleitet, der die Wärme aus dem aufgeheizten Kühlwasser 46 zum Getriebe 60 transportiert. Auf diese Weise wird das Getriebe 60 in einer Startphase des Kraftfahrzeugs schneller aufgeheizt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das gekühlte Kühlwasser 42 nach dem Passieren der Treibpumpe 58 über einen Frontend-Wärmetauscher 64 zum Frontendkühler geleitet werden, wenn die Temperatur des gekühlten Kühlwassers 42 nicht ausreicht, um den Verbrennungsmotor 40 zu kühlen. Dies hat in einer Startphase des Verbrennungsmotors 40 zudem den Vorteil, dass das gekühlte Kühlwasser 42 nicht unnötig abgekühlt wird und das Getriebe 60 so noch schneller aufgeheizt werden kann.
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Durch die Anordnung des Abgaswärmetauschers 5 in Strömungsrichtung stromabwärts des Hochdruckverdampfers 4 in der Dampfstrahlkältemaschine 2 wird ein gegenüber dem Verbrennungsmotor 40 heißeres Abgas aus dem Verbrennungsmotor 40 auf eine Temperatur abgekühlt, die im Bereich einer Betriebstemperatur eines nicht dargestellten Katalysators des Kraftfahrzeugs liegt. Auf diese Weise kann dem Abgas aus dem Verbrennungsmotor 40 durch Kühlung zwar Wärmeenergie 38 zur Nutzung in der Dampfstrahlkältemaschine 2 entzogen, jedoch gleichzeitig der Katalysator auf seiner Betriebstemperatur gehalten werden.
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In der vorliegenden Ausführung können entweder der Hochdruckverdampfer 4 oder der Abgaswärmetauscher 5 oder beide Wärmetauscher 4, 5 gleichzeitig als Adsorptionswärmetauscher ausgebildet sein. Da es sich bei dem Treibmittel für die Dampfstrahlkältemaschine 2 in der vorliegenden Ausführung um Wasser handelt, kann als Adsorptionsmittel, auch Adsorbens genannt, in besonders vorteilhafter Weise Zeolith im Adsorptionswärmetauscher verwendet werden. Wenn als Treibmittel alternativ Toluol, R134a oder R1234yf gewählt wird, so kann als Adsorbens beispielsweise Aktivkohle verwendet werden.
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In der vorliegenden Ausführung adsorbiert der Zeolith bei beidseitig des Hochdruckverdampfers 4 und/oder des Abgaswärmetauschers 5 gelegenen, geöffneten Absperrventilen 9 den Hochdruckwasserdampf 6. Diese Adsorption steigt mit dem Absinken der Temperatur am Hochdruckverdampfer 4 und/oder am Abgas- Wärmetauscher 5. Dabei wird Wärme frei, die in der vorliegenden Ausführung als Wärmeenergie 38 entweder über den Hochdruckverdampfer 4 an das Kühlwasser 42 oder über den Abgaswärmetauscher 5 an ein Abgas des Verbrennungsmotors 40 abgegeben werden kann. In 1 sind dabei drei Absperrventile 9 gezeigt. Jedoch ist das Vorsehen von Absperrventilen 9 eingangsseitig und ausgangsseitig nur an den Wärmetauschern 4, 5 erforderlich, die als Adsorptionswärmetauscher ausgebildet sind. Sind der Hochdruckverdampfer 4 und der Abgaswärmetauscher 5 gleichzeitig als Adsorptionswärmetauscher ausgebildet, so kann das mittlere Absperrventil 9 optional entfallen.
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Wenn der Verbrennungsmotor 40 beispielsweise Teil eines Kraftfahrzeugs ist und das Kraftfahrzeug abgestellt wird, so können die Absperrventile 9 geschlossen und bei einem darauffolgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 40 geöffnet werden, damit jeweils in dem als Adsorptionswärmetauscher ausgebildeten Hochdruckverdampfer 4 und/oder Abgaswärmetauscher 5 Wärmeenergie 38 produziert wird, welche die Dampfstrahlkältemaschine 2 an den Verbrennungsmotor 40 abgibt. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeenergie 38 auch an das Getriebe 60 oder einen Innenraum einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor 40 abgegeben werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Warmlaufreibung des Getriebes 60 reduziert werden.
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Mit dem Annähern einer Temperatur des Verbrennungsmotors 40 und des Getriebes 60 an eine Betriebstemperatur wird der adsorbierte Hochdruckwasserdampf 6 bis zur Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts aus dem entsprechenden Adsorptionswärmetauscher 4, 5 ausgetrieben, also desorbiert.
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Dabei wird im stationären Betriebsfall, also im thermodynamischen Gleichgewicht, der Hochdruckwasserdampf 6 weder adsorbiert noch desorbiert, so dass die anfallende Wärmeenergie 38 aus dem Verbrennungsmotor 40 und dem Getriebe 60 vollständig zum Betrieb der Dampfstrahlkältemaschine 2 zur Verfügung steht. In transienten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 40, wie beispielsweise in einer Abstellphase des Verbrennungsmotors 40, wird die Wärmenutzung der Dampfstrahlkältemaschine 2 vergleichmäßigt, da bei sinkender Temperatur durch die Adsorption des Hochdruckwasserdampfes 6 immer noch Wärme an die Dampfstrahlkältemaschine 2 abgegeben wird. Demgegenüber wird bei steigender Temperatur ein Teil der anfallenden Wärmeenergie 38 für die Desorption verwendet, weshalb die Nutzwärme für den gesamten Arbeitsprozess weniger schnell zunimmt.
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Bleiben die Absperrhähne 9 auch nach dem Betrieb des Verbrennungsmotors 40 geöffnet, so wird aufgrund der sinkenden Temperatur des Verbrennungsmotors 40 der Hochdruckwasserdampf 6 in dem als Adsorptionswärmetauscher ausgebildeten Hochdruckverdampfer 4 und/oder Abgaswärmetauscher 5 gebunden, also adsorbiert. Auf diese Weise wird die Dampfstrahlkältemaschine 2 innerlich ausgetrocknet, so dass im abgestellten Zustand des Verbrennungsmotors 40 kein Wasser in der Dampfstrahlkältemaschine 2 verbleibt, das die Dampfstrahlkältemaschine 2 beispielsweise bei Frost beschädigen kann.
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Nachstehend soll der Adsorptionswärmetauscher beispielhaft anhand des Hochdruckverdampfers 4 näher beschrieben werden.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht des als Adsorptionswärmetauscher ausgebildeten Hochdruckverdampfers 4 zeigt.
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In den Hochdruckverdampfer 4 tritt das aufgeheizte Kühlwasser 46 ein, das im Hochdruckverdampfer 4 die Wärmeenergie 38 an das Arbeitsmedium der Dampfstrahlmaschine 2 in der oben beschriebenen Weise abgibt, auf diese Weise abgekühlt wird und als abgekühltes Kühlwasser 42 aus dem Hochdruckverdampfer 4 austritt. Entsprechend tritt in den Hochdruckverdampfer 4 als Arbeitsmedium der Dampfstrahlkältemaschine 2 das Hochdruckwasser 30 ein, nimmt die Wärmeenergie 38 aus dem aufgeheizten Kühlwasser 46 auf, verdampft und tritt als Hochdruckwasserdampf 6 aus dem Hochdruckverdampfer 4 aus.
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In dem Hochdruckverdampfer 4 ist der oben genannte Zeolith als Adsorbens in einer Graphitmatrix 66 eingebettet, die alternativ auch als Metallmatrix ausgebildet sein kann. In der vorliegenden Ausführung ist die Graphitmatrix 66 eindimensional aufgebaut, das heißt, dass der Hochdruckverdampfer 4 in die Bildebene hinein und in Strömungsrichtung betrachtet seine Struktur nicht ändert. Die einzelnen Wände 68 der Graphitmatrix 66 sind dabei einseitig mit Metallplatten 70 abgedeckt.
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In der Graphitmatrix 66 ist eine große Wärmekontaktfläche zwischen dem Arbeitsmittel 6, 30 der Dampfstrahlkältemaschine 2 und dem Kühlmittel 42, 46 geschaffen, wodurch eine hohe Adsorption erreicht wird.
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Es wird auf 4 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines weiteren Hochdruckverdampfers 4 zeigt.
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In dem vorliegenden Hochdruckverdampfer 4 sind in die Graphitmatrix 66 freiliegende Metallplatten 70 eingebracht, die mit keiner Wand der Graphitmatrix 66 in Kontakt stehen. Auf diese Weise wird zwischen dem Arbeitsmittel 6, 30 und dem Kühlmittel 42, 46 auch dann Wärmeenergie 38 übertragen, wenn sich das System nicht im thermischen Gleichgewicht befindet und somit noch Arbeitsmittel 6, 30 in Form von Wasser durch den Zeolith 66 adsorbiert wird.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines weiteren Hochdruckverdampfers 4 zeigt.
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In 5 ist die Graphitmatrix 66 zweidimensional aufgebaut, wodurch der Wärmekontakt zwischen dem Arbeitsmittel 6, 30 und dem Kühlmittel 42, 46 noch weiter gesteigert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028925 A1 [0002]
