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Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskältemaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung, aufweisend einen Motor und eine Adsorptionskältemaschine, gemäß Anspruch 8, sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Adsorptionskältemaschinen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Eine solche Adsorptionskältemaschine weist wenigstens eine erste Kammer auf, welche ein Adsorber/Desorber-Material aufweist. Es ist wenigstens eine zweite Kammer vorgesehen, welche eine Verdampfer/Kondensator-Einrichtung aufweist. Die erste und die zweite Kammer sind über eine Rohrleitung miteinander in Fluidverbindung, wobei in der Rohrleitung eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Durch diese ist die Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer in einer ersten Funktionsstellung sperrbar und in einer zweiten Funktionsstellung freigebbar. Für die Rohrleitung werden typischerweise große Querschnitte, insbesondere im Bereich von ungefähr 50 mm benötigt. Diese sind insbesondere durch im Kraftfahrzeugbereich übliche Ventile nicht ohne weiteres verschließbar. Vielmehr ist – insbesondere auch aufgrund eines typischerweise in den beiden Kammern herrschenden Unterdrucks – die Verwendung eines technisch aufwendigen und teuren Absperrventils nötig, dessen Einsatz insbesondere in einem Kraftfahrzeug schon aus Kostengründen problematisch ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Adsorptionskältemaschine, eine Anordnung und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Adsorptionskältemaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Die Adsorptionskältemaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventileinrichtung ein Ventilelement mit veränderlichem Durchmesser aufweist, wobei das Ventilelement so ausgebildet ist, dass es in der ersten Funktionsstellung einen ersten Durchmesser aufweist, mit dem es einen inneren Querschnitt der Rohrleitung unter dichter Anlage an einer Innenwandung derselben ausfüllt, wobei es in der zweiten Funktionsstellung einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser, sodass ein Spalt zwischen der Innenwandung der Rohrleitung und dem Ventilelement freigegeben ist. Auf die hier beschriebene Weise kann das Ventilelement und damit die gesamte Ventileinrichtung technisch und strukturell sehr einfach aufgebaut sein, wobei es insbesondere nur wenige Teile aufweist und kostengünstig ist. Zugleich ist es möglich, mit der Ventileinrichtung, insbesondere mit dem Ventilelement, auch große Rohrquerschnitte sicher und reproduzierbar abzudichten. Durch diese unkomplizierte und kostengünstige Technologie der Ventileinrichtung wird schließlich auch die Verwendung einer Adsorptionskältemaschine zur Klimatisierung in Kraftfahrzeugen wirtschaftlich darstellbar.
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Die Arbeitsweise einer Adsorptionskältemaschine ist grundsätzlich bekannt, sodass hier nur kursorisch darauf eingegangen wird: Bei einer Adsorptionskältemaschine handelt es sich um eine Sorptions-Kältemaschine, die mit einem festen Sorptionsmittel arbeitet. Dabei dient die das Adsorber/Desorber-Material aufweisende, erste Kammer als Adsorber/Desorber-Einrichtung. In einer Adsorptionsphase der Adsorptionskältemaschine wird ein in der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung vorliegendes, flüssiges Kältemittel verdampft, über die Rohrleitung aus der zweiten Kammer in die erste Kammer überführt und dort von dem Adsorber/Desorber-Materials adsorbiert. Hierzu weist das Adsorber/Desorber-Material eine sehr große Oberfläche auf. Die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung arbeitet in der Adsorptionsphase als Verdampfer, wobei sie Verdampfungswärme aus der Umgebung oder insbesondere aus einem ersten Kühlkreislauf beispielsweise eines Kraftfahrzeugs entnimmt, wobei die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung der Umgebung beziehungsweise dem Kühlmittel Kälteleistung zur Verfügung stellt. Zugleich arbeitet das Adsorber/Desorber-Material als Adsorber, wobei in dessen Bereich Absorptionswärme frei wird, die bevorzugt über einen zweiten Kühlkreislauf abgeführt wird.
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In einer Desorptionsphase der Adsorptionskältemaschine wird dem Adsorber/Desorber-Material, welches dann als Desorber wirkt, Wärme zugeführt, beispielsweise über den zuvor beschriebenen zweiten Kühlkreislauf, der dann insoweit als Heizkreislauf wirkt. Auf diese Weise wird das Kältemittel aus dem Adsorber/Desorber-Material ausgetrieben und verdampft. Es wird über die Rohrleitung der zweiten Kammer und somit der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung zugeführt, die nun als Kondensator wirkt, wobei das Kältemittel in der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung verflüssigt wird. Vorzugsweise wird die hier freiwerdende Kondensationswärme abgeführt, beispielsweise über den zuvor beschriebenen ersten Kühlkreislauf.
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Mithilfe der in der Rohrleitung angeordneten Ventileinrichtung ist es möglich, Kälteleistung verlustarm zu speichern. Dazu wird die Ventileinrichtung nach Abschluss der Desorptionsphase in ihre erste Funktionsstellung verlagert, sodass die Rohrleitung geschlossen und die Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer gesperrt ist. Die Adsorptionsphase kann dann nicht gestartet werden, vielmehr verbleibt das Kältemittel in der zweiten Kammer, wobei zugleich das Adsorber/Desorber-Material nicht mit Kältemittel beladen ist. In diesem Zustand nimmt die Adsorptionskältemaschine weder Wärme aus der Umgebung auf, noch führt sie Wärme an die Umgebung ab. Sie stellt auch keine Kälteleistung zur Verfügung. Soll Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden, kann die Ventileinrichtung in ihre zweite Funktionsstellung verlagert werden, sodass die Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer freigegeben wird. Es beginnt dann die Adsorptionsphase, wobei Kälteleistung in der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung zur Verfügung gestellt wird. Es ist somit möglich, die Desorptionsphase zu einem ersten Zeitpunkt durchzuführen und somit quasi Kälteleistung in der Adsorptionskältemaschine zu speichern, wobei diese dann zu einem beliebigen späteren, zweiten Zeitpunkt durch Öffnen der Ventileinrichtung und damit Einleiten der Adsorptionsphase abgerufen werden kann.
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Als Kältemittel für die Adsorptionskältemaschine wird vorzugsweise Wasser oder Methanol verwendet. Als Adsorber/Desorber-Material wird vorzugsweise ein Material verwendet, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Aktivkohle, Aluminiumoxid, Aluminiumphosphat, Silika-Aluminiumphosphat, Metall-Silika-Aluminiumphosphat, Mesostruktur-Silikat, einem Metall-organischen Gerüst, einem mikroporösen Material, insbesondere einem mikroporösen Polymer, einem Silikagel, und einem Zeolith. Diese Materialien haben aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche die Eigenschaft, das Kältemittel, insbesondere Wasser oder Methanol, sehr gut aufzusaugen.
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Die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung weist vorzugsweise eine Wärmeübertragerstruktur auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass in der zweiten Kammer eine Rippenstruktur und/oder eine als Wärmeübertragerstruktur ausgebildete Rohrleitung für den ersten Kühlkreislauf vorgesehen ist. Mithilfe der Wärmeübertragerstruktur ist es einerseits möglich, der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung Verdampfungswärme zuzuführen, wenn diese in der Adsorptionsphase als Verdampfer arbeitet, wobei ihr andererseits Wärme entnommen werden kann, um die Kondensationswärme abzuführen, wenn die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung in der Desorptionsphase als Kondensator arbeitet.
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Vorzugsweise weist auch die erste Kammer eine Wärmeübertragerstruktur auf, besonders bevorzugt nach Art einer in Form einer Wärmeübertragerstruktur angeordneten Rohrleitung für den zweiten Kühlkreislauf, wobei die Wärmeübertragerstruktur, insbesondere die Rohrleitung, außen mit dem Adsorber/Desorber-Material beschichtet ist. Auf diese Weise ist es möglich, dem Adsorber/Desorber-Material Wärme in der Desorptionsphase zuzuführen, um das Kältemittel aus dem Adsorber/Desorber-Material auszutreiben, wobei es in der Adsorptionsphase möglich ist, die im Bereich des Adsorber/Desorber-Materials freiwerdende Adsorptionswärme abzuführen.
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Die Rohrleitung zwischen der ersten und der zweiten Kammer weist vorzugsweise einen Durchmesser von ungefähr 50 mm, bevorzugt von 50 mm, auf. Dabei ist dieser Durchmesser vorzugsweise der Innendurchmesser der Rohrleitung.
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Das Ventilelement weist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein veränderliches Volumen auf, wobei also nicht nur seine Größe in einer Richtung, nämlich der Durchmesser, veränderlich ist, sondern das Volumen des Ventilelements insgesamt.
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Der Begriff „Durchmesser“ ist nicht einschränkend mit Bezug auf einen kreisförmigen Querschnitt des Ventilelements zu verstehen, sondern bezeichnet vielmehr ein Längenmaß in einer Querschnittsebene der Rohrleitung und des Ventilelements, welches unabhängig von der konkreten Form des Ventilelements einerseits und der Rohrleitung andererseits veränderlich ist, sodass das Ventilelement den Querschnitt der Rohrleitung in der ersten Funktionsstellung ausfüllt, wobei es ihn in der zweiten Funktionsstellung freigibt.
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Besonders bevorzugt ist das Ventilelement bezüglich seiner Geometrie an eine Geometrie der Rohrleitung angepasst. Auf diese Weise kann eine besonders dichte Anlage des Ventilelements in der ersten Funktionsstellung an der Innenwandung der Rohrleitung gewährleistet werden. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt des Ventilelements an einen Querschnitt der Rohrleitung geometrisch angepasst.
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Es wird auch eine Adsorptionskältemaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Ventilelement eine elastische Hülle aufweist. Diese umschließt einen Arbeitsraum, der gegenüber der Rohrleitung und gegenüber der ersten sowie der zweiten Kammer abgedichtet ist. Der Arbeitsraum ist mit einer Steuerventileinrichtung wirkverbunden. Vorzugsweise ist er mit der Steuerventileinrichtung in Fluidverbindung. Durch die Wirkverbindung ist der Arbeitsraum über die Steuerventileinrichtung in der ersten Funktionsstellung mit einem ersten Druck beaufschlagbar, wobei er in der zweiten Funktionsstellung mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. Dabei ist der erste Druck größer als der zweite Druck.
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Durch die elastische Hülle ist der von dieser umschlossene Arbeitsraum bezüglich seines Volumens – in Abhängigkeit von dem Druck innerhalb des Arbeitsraums einerseits und außerhalb der elastischen Hülle andererseits – veränderlich ausgebildet. Indem er gegenüber der Rohrleitung sowie der ersten und der zweiten Kammer abgedichtet ist, wird er gegen den dort herrschenden Druck wahlweise in seinem Volumen vergrößert oder durch diesen Druck oder durch die Elastizität der Hülle in seinem Volumen verkleinert. Vorzugsweise ist der erste Druck größer als der in der Rohrleitung beziehungsweise der ersten und der zweiten Kammer herrschende Druck, der auch als Systemdruck bezeichnet wird, sodass der Arbeitsraum in der ersten Funktionsstellung der Ventileinrichtung bezüglich seines Volumens vergrößert ist, insbesondere ein größeres Volumen aufweist als in der zweiten Funktionsstellung. Der zweite Druck ist vorzugsweise kleiner als oder gleich groß wie der in der Rohrleitung, der ersten und der zweiten Kammer herrschende Systemdruck, sodass der Arbeitsraum in dieser Funktionsstellung bezüglich seines Volumens verkleinert ist, insbesondere ein kleineres Volumen aufweist, als in der ersten Funktionsstellung. Dabei wird die elastische Hülle in der ersten Funktionsstellung durch den in dem Arbeitsraum herrschenden Druck dichtend gegen die Innenwandung der Rohrleitung gedrängt, wobei sie in der zweiten Funktionsstellung einen Abstand zu der Innenwandung der Rohrleitung aufweist, sodass ein Spalt zwischen der Innenwandung der Rohrleitung und der elastischen Hülle freigegeben ist.
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Die elastische Hülle weist bevorzugt ein Material auf, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Kautschuk, einem elastischen Polymer, und Gummi. Vorzugsweise besteht die elastische Hülle aus einem der genannten Materialien.
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Der erste Druck ist vorzugsweise ein in der Umgebung der Adsorptionskältemaschine herrschender Druck, insbesondere Atmosphärendruck oder Umgebungsdruck. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Adsorptionskältemaschine insgesamt bei Unterdruck arbeitet, was jedenfalls regelmäßig der Fall ist, wenn Wasser als Kältemittel verwendet wird. In diesem Fall herrschen in der ersten und der zweiten Kammer sowie in der Rohrleitung Systemdrücke im Bereich von ungefähr 10 mbar bis ungefähr 100 mbar.
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Die Beaufschlagung des Arbeitsraums mit Atmosphärendruck in der ersten Funktionsstellung der Ventileinrichtung hat den Vorteil, dass es keinerlei externer Druckquelle bedarf, die in einem Betriebsmodus verbleiben müsste, um die Ventileinrichtung in ihrer ersten Funktionsstellung zu halten. Vielmehr verbleibt die Ventileinrichtung ohne weiteres so lange in der ersten Funktionsstellung, als der Druck in dem Arbeitsraum nicht unter den Umgebungsdruck abgesenkt wird. Die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer kann so quasi beliebig lange gesperrt bleiben, ohne dass es einer Energiezufuhr zu der Adsorptionskältemaschine bedürfte. Somit kann insbesondere bei der Verwendung der Adsorptionskältemaschine in einem Kraftfahrzeug die Kälteleistung auch bei einem Abstellen desselben langfristig gespeichert werden, um sie dann rechtzeitig vor der Inbetriebnahme oder bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs unvermindert zur Verfügung zu stellen. Die Speicherung der Kälteleistung belastet auf diese Weise weder einen Akkumulator des Kraftfahrzeugs oder eine Fahrzeugbatterie, noch irgendeine andere Energiequelle.
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Der zweite Druck ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem Systemdruck der Adsorptionskältemaschine. Ist der zweite Druck gleich dem Systemdruck, zieht sich die elastische Hülle aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zusammen und entfernt sich somit von der Innenwandung. Ist der zweite Druck kleiner als der Systemdruck, wird die elastische Hülle zusätzlich durch die Druckdifferenz zwischen dem Systemdruck und dem zweiten Druck komprimiert.
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Die Ventileinrichtung weist vorzugsweise einerseits das Ventilelement und andererseits die Steuerventileinrichtung auf, wobei das Ventilelement durch die Steuerventileinrichtung betätigbar ist, sodass die Ventileinrichtung insgesamt von ihrer ersten Funktionsstellung in ihre zweite Funktionsstellung und umgekehrt verlagerbar ist.
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Das die elastische Hülle aufweisende Ventilelement ist konstruktiv besonders einfach und kostengünstig aufgebaut, wobei es zugleich sehr funktionssicher und reproduzierbar arbeitet. Dies liegt insbesondere daran, dass nur wenige, einfache und kostengünstige Elemente für die Ventileinrichtung verwendet werden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Arbeitsraum über die Steuerventileinrichtung in der ersten Funktionsstellung mit einer Umgebung der Adsorptionskältemaschine in Fluidverbindung ist. In diesem Fall wird der Arbeitsraum unmittelbar vermittelt über die Steuerventileinrichtung mit einem Umgebungsdruck in der Umgebung der Adsorptionskältemaschine, vorzugsweise mit Atmosphärendruck beaufschlagt. Stehen demnach die erste Kammer, die zweite Kammer und die Rohrleitung unter Unterdruck, wird der Arbeitsraum expandiert, wobei sich die elastische Hülle dichtend an die Innenwandung der Rohrleitung anlegt. Auf diese Weise kann eine äußerst einfache Verlagerung der Ventileinrichtung in ihre erste Funktionsstellung verwirklicht werden, ohne dass es hierfür einer externen Druckquelle bedarf. Insbesondere ist keine Druckpumpe notwendig, um die elastische Hülle zu expandieren. Vielmehr wird der ohnehin in der Adsorptionskältemaschine vorliegende Unterdruck im Zusammenspiel mit dem Umgebungsdruck als Antrieb für die Ausdehnung des Arbeitsraums, der elastischen Hülle und damit der Verlagerung der Ventileinrichtung in die erste Funktionsstellung verwendet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Arbeitsraum über die Steuerventileinrichtung in der zweiten Funktionsstellung mit einer Unterdruckquelle in Fluidverbindung ist. Die Unterdruckquelle ist vorzugsweise so ausgebildet, dass durch sie der zweite Druck in dem Arbeitsraum erzeugt wird, der vorzugsweise kleiner oder gleich einem Systemdruck der Adsorptionskältemaschine ist. Es ist so auf sehr einfache und zugleich kostengünstige Weise möglich, die Ventileinrichtung in ihrer zweiten Funktionsstellung anzuordnen. Dies ist ganz besonders dann der Fall, wenn eine ohnehin in der Umgebung der Adsorptionskältemaschine vorhandene Unterdruckquelle verwendet wird. Beispielsweise kann dies bei einer Verwendung der Adsorptionskältemaschine in einem Kraftfahrzeug eine für einen Bremskraftverstärker ohnehin vorgesehene Unterdruckquelle sein. Auch im Übrigen weisen gerade Kraftfahrzeuge, aber auch andere Einsatzumgebungen von Adsorptionskältemaschinen regelmäßig eine Unterdruckpumpe auf, an welche die Steuerventileinrichtung angeschlossen werden kann. Es bedarf also regelmäßig keiner separaten Unterdruckquelle zur Beaufschlagung des Arbeitsraums mit dem zweiten Druck. Selbstverständlich ist aber ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine möglich, bei welchem diese selbst eine ihre zugeordnete Unterdruckquelle, insbesondere eine Unterdruckpumpe, aufweist.
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Insgesamt wird auf die hier beschriebene Weise eine einfache und kostengünstige Ventileinrichtung verwirklicht, die letztlich über ohnehin bestehende Druckverhältnisse steuerbar ist. Die Ventileinrichtung weist lediglich das konstruktiv sehr einfach ausgebildete Ventilelement mit der elastischen Hülle auf, sowie eine Fluidverbindung zu der Steuerventileinrichtung, und die Steuerventileinrichtung selbst. Es ist möglich, dass die Ventileinrichtung zusätzlich auch die Unterdruckquelle aufweist, vorzugsweise steht aber die Steuerventileinrichtung mit einer externen, ohnehin vorgesehenen Unterdruckquelle in Fluidverbindung, sodass die Ventileinrichtung nur eine sehr geringe Zahl von Teilen aufweist, die jedes für sich genommen und auch als Zusammenbau äußerst einfach und kostengünstig ausgebildet sind, wobei lediglich die ohnehin vorhandenen Druckverhältnisse genutzt werden, um die Ventileinrichtung von ihrer ersten in ihre zweite Funktionsstellung und umgekehrt zu verlagern.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Rohrelement eine Einschnürung aufweist, an der das Ventilelement in der ersten Funktionsstellung dicht anliegt. Die Einschnürung ist bevorzugt als Querschnittsverengung ausgebildet, oder als insbesondere ringförmig umlaufender, radial nach innen in die Rohrleitung zurückspringender Vorsprung, an den sich das Ventilelement in der ersten Funktionsstellung anschmiegen kann. Hierdurch wird im Bereich der Querschnittsverengung eine besonders gute Anlage des Ventilelements an der Innenwandung des Rohrelements bewirkt, sodass eine erhöhte Dichtigkeit resultiert.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Ventilelement als Gummibalg und/oder als Faltenbalg ausgebildet ist. Dies sind besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltungen des Ventilelements, die zugleich mit einfachen Mitteln eine sehr hohe Dichtheit der Ventileinrichtung in der ersten Funktionsstellung gewährleisten. Dabei zeigt sich, dass gerade ein Gummibalg oder ein Faltenbalg ohne weiteres in seiner Geometrie der Geometrie der Rohrleitung angepasst werden kann, sodass sich eine hohe Dichtwirkung ergibt.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass diese mindestens zwei Kammern mit Adsorber/Desorber-Material und mindestens zwei Kammern mit jeweils einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung aufweist. Aus der zuvor gegebenen Beschreibung der Adsorptionskältemaschine wird klar, dass diese phasenweise arbeitet, wobei sich eine Adsorptionsphase und eine Desorptionsphase vorzugsweise zyklisch abwechseln. Es ist daher keine kontinuierliche Bereitstellung von Kälteleistung möglich. Weist dagegen die Adsorptionskältemaschine eine Mehrzahl von Kammern mit Adsorber/Desorber-Material sowie eine Mehrzahl von Kammern mit Verdampfer/Kondensator-Einrichtungen auf, kann eine quasi-kontinuierliche Bereitstellung von Kälteleistung verwirklicht werden, bei der sich die verschiedenen Kammern in Hinblick auf ihre Funktionalität abwechseln. Arbeitet also eine Kammer mit Adsorber/Desorber-Material als Adsorber, kann zugleich eine andere Kammer mit Adsorber/Desorber-Material als Desorber arbeiten. Ebenso kann eine Kammer mit einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung als Verdampfer arbeiten, während zugleich eine andere Kammer mit einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung als Kondensator arbeitet. Nach Beendigung eines Zyklus beziehungsweise einer Phase kann dann die Funktionalität der Kammern umgeschaltet werden, wobei jedenfalls stets zumindest eine Kammer mit einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung vorhanden ist, in der Kälteleistung zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise weist die Adsorptionskältemaschine genau zwei Kammern mit Adsorber/Desorber-Material auf. Zusätzlich oder alternativ weist die Adsorptionskältemaschine vorzugsweise genau zwei Kammern mit jeweils einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung auf.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine bevorzugt, bei welchem diese ein ganzzahliges Vielfaches von zwei ersten Kammern mit Adsorber/Desorber-Material und/oder ein ganzzahliges Vielfaches von zwei zweiten Kammern mit jeweils einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung aufweist.
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Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine, welches genau zwei erste Kammern mit Adsorber/Desorber-Material und zugleich genau zwei zweite Kammern mit jeweils einer Verdampfer/Kondensator-Einrichtung aufweist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Diese weist einen Motor, insbesondere eine Abgas emittierende Brennkraftmaschine oder einen Elektromotor oder eine elektrische Maschine, und eine Adsorptionskältemaschine gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Der Motor und die Adsorptionskältemaschine sind über eine Fluidverbindung derart miteinander verbunden, dass der Adsorptionskältemaschine Abwärme des Motors, bei einem Ausführungsbeispiel Abgas der Brennkraftmaschine, als Wärmequelle zuführbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Adsorptionskältemaschine über die Fluidverbindung oder über eine zusätzliche Fluidverbindung Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs des Motors als Wärmequelle zuführbar ist. Es ist so möglich, die Abwärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine oder die in dem Kühlkreislauf, der zur Kühlung des Motors vorgesehen ist, zur Verfügung stehende Wärme zu nutzen, um in der Desorptionsphase der Adsorptionskältemaschine das Kältemittel aus dem Adsorber/Desorber-Material zu desorbieren. Im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine muss also keine mechanische Antriebsenergie von dem Motor abgezweigt werden, um die Kältemaschine zu betreiben. Vielmehr wird ohnehin zur Verfügung stehende Abwärme aus dem Abgas und/oder aus dem Kühlkreislauf für den Betrieb der Adsorptionskältemaschine genutzt. Dies hat den Vorteil, dass der Motor energieeffizienter, mit geringerem Brennstoffverbrauch, mit größerer Reichweite und/oder mit längerer Betriebsdauer bis zur nächsten Aufladung eines Akkumulators arbeiten kann, als dies der Fall ist, wenn er zusätzlich Antriebsleistung für den Kompressor einer Kompressionskältemaschine zur Verfügung stellen müsste.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Insbesondere weist das Kraftfahrzeug demnach eine Adsorptionskältemaschine auf, die mit der Abwärme eines Motors des Kraftfahrzeugs betreibbar ist. In Zusammenhang mit der Klimatisierung des Kraftfahrzeugs fällt dann kein zusätzlicher Kraftstoff-Mehrverbrauch an, beziehungsweise es ergibt sich bei einem Elektrofahrzeug, bei dem die Abwärme aus dem Kühlkreislauf eines Elektromotors genutzt wird, keine Reichweiten-Minimierung, weil die Klimatisierung nicht auf Kosten der in einem Akkumulator des Elektrofahrzeugs zur Verfügung stehenden Leistung erfolgt. Darüber hinaus hat die Möglichkeit, Kälteleistung aufgrund der Funktionalität der Ventileinrichtung zu speichern, den Vorteil, dass die Adsorptionskältemaschine ohne Einsatz des Motors betrieben werden kann, sofern zuvor Kälteleistung in der Adsorptionskältemaschine gespeichert wurde. Dies ermöglicht in sehr einfacher Weise eine Standklimatisierung eines Kraftfahrzeug-Innenraums, wodurch sich der Komfort der Kraftfahrzeugs deutlich erhöht.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildet. Es kann sich aber auch um einen Lastkraftwagen handeln, wobei die Adsorptionskältemaschine nicht nur zur Klimatisierung einer Fahrerkabine, sondern vielmehr auch zur Klimatisierung eines Laderaums des Lastkraftwagens verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Adsorptionskältemaschine mit einer Ventileinrichtung in einer ersten Funktionsstellung, und
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2 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit der Ventileinrichtung in einer zweiten Funktionsstellung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Adsorptionskältemaschine 1, die eine erste Kammer 3 und eine zweite Kammer 5 aufweist. In der ersten Kammer 3 ist ein Adsorber/Desorber-Material 7 angeordnet. Die zweite Kammer 5 weist eine Verdampfer/Kondensator-Einrichtung 9 auf, die bevorzugt eine Wärmeübertragerstruktur aufweist. Insbesondere ist vorzugsweise in der zweiten Kammer 5 eine Verdampfer/Kondensator-Einrichtung 9 angeordnet, oder die zweite Kammer 5 ist als Verdampfer/Kondensator-Einrichtung 9 ausgebildet.
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Die erste Kammer 3 steht mit der zweiten Kammer 5 über eine Rohrleitung 11 in Fluidverbindung. In der Rohrleitung 11 ist eine Ventileinrichtung 13 angeordnet. Diese weist ein Ventilelement 15 mit einem veränderlichen Durchmesser auf.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Ventilelement 15 eine elastische Hülle 17 auf, die einen Arbeitsraum 19 umschließt. Der Arbeitsraum 19 ist dabei gegenüber der Rohrleitung 11 und auch gegenüber der ersten Kammer 3 sowie gegenüber der zweiten Kammer 5 abgedichtet. Vorzugsweise ist das Ventilelement 15 als Gummibalg ausgebildet.
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Der Arbeitsraum 19 ist mit einer Steuerventileinrichtung 21 wirkverbunden, insbesondere mit dieser in Fluidverbindung, sodass er durch die Steuerventileinrichtung 21 wahlweise mit einem ersten Druck oder mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
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Aufgrund der elastischen Eigenschaften der elastischen Hülle 17 ist das Ventilelement 15 quasi aufblasbar ausgebildet, wobei es ein variables Volumen und somit zugleich auch den veränderlichen Durchmesser aufweist.
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Die Ventileinrichtung 13 ist in 1 in einer ersten Funktionsstellung dargestellt, in welcher der Arbeitsraum 19 vermittelt über die Steuerventileinrichtung 21 mit einer Umgebung 23 der Adsorptionskältemaschine 1 in Fluidverbindung ist. Daher herrscht in dem Arbeitsraum 19 der Umgebungsdruck, der auch in der Umgebung 23 herrscht, vorzugsweise Atmosphärendruck. In der ersten Kammer 3, in der zweiten Kammer 5 und auch in der Rohrleitung 11 herrscht dagegen ein Unterdruck, der auch als Systemdruck bezeichnet wird, und der jedenfalls kleiner ist als der Umgebungsdruck in der Umgebung 23. Daher ist das Ventilelement 15 in dieser ersten Funktionsstellung gleichsam aufgeblasen, wobei es einen ersten Durchmesser aufweist, mit dem es einen inneren Querschnitt der Rohrleitung 11 unter dichter Anlage an einer Innenwandung 25 der Rohrleitung 11 ausfüllt.
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Die Rohrleitung 11 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Einschnürung 27 auf, die hier als ringförmig umlaufender, radial nach innen weisender Vorsprung der Innenwandung 25 ausgebildet ist. Insbesondere an dieser Einschnürung 27 liegt das Ventilelement 15 in der ersten Funktionsstellung innenseitig dicht an. Es zeigt sich auch, dass das Ventilelement 15 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich – in 1 oberhalb der Einschnürung 27 – vollflächig dicht an der Innenwandung 25 anliegt. Insgesamt wird so eine sehr zuverlässige, dichte und reproduzierbare Anlage des Ventilelements 15 in der ersten Funktionsstellung an der Innenwandung 25 der Rohrleitung 11 bewirkt.
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In 1 ist auch noch dargestellt, dass in der zweiten Kammer 5 ein Kältemittel 29, vorzugsweise Wasser oder Methanol, angeordnet ist.
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2 zeigt das Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine gemäß 1 in einer zweiten Funktionsstellung. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In dieser zweiten Funktionsstellung der Ventileinrichtung 13 ist der Arbeitsraum 19 durch die Steuerventileinrichtung 21 mit einer nur schematisch angedeuteten Unterdruckquelle 31 fluidverbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um den Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs oder um eine anderweitig in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Unterdruckpumpe, oder auch um eine separate, der Adsorptionskältemaschine 1 zugeordnete Unterdruckquelle, insbesondere Unterdruckpumpe, handeln. In diesem Zustand herrscht in dem Arbeitsraum 19 ein zweiter Druck, der jedenfalls kleiner ist als der erste Druck in der ersten Funktionsstellung, und insbesondere kleiner oder gleich dem Systemdruck, welcher in der ersten Kammer 3, in der zweiten Kammer 5 und in der Rohrleitung 11 herrscht.
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Aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse oder aufgrund der elastischen Eigenschaften der elastischen Hülle 17 ist das Ventilelement 15 nun in der zweiten Funktionsstellung nicht mehr aufgeblasen, sondern vielmehr entspannt oder sogar zusammengezogen, sodass es ein kleineres Volumen als in der ersten Funktionsstellung sowie einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser, wobei der zweite Durchmesser zugleich so ausgelegt ist, dass ein Spalt 33 zwischen der Innenwandung 25 und dem Ventilelement 15, insbesondere dessen elastischer Hülle 17, freigegeben ist. Das Ventilelement 15 liegt also nicht mehr dicht an der Innenwandung 25 an.
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Auf diese Weise ist in der zweiten Funktionsstellung ein Fluidpfad zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 5 entlang der Rohrleitung 11 freigegeben, der in der ersten Funktionsstellung durch das Ventilelement 15 gesperrt ist.
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Die Funktionsweise der Adsorptionskältemaschine 1 ist mit Blick auf die 1 und 2 die Folgende:
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In einer Desorptionsphase wird dem mit dem Kältemittel 29 beladenen Adsorber/Desorber-Material 7 in der ersten Kammer 3 Wärme zugeführt, sodass das Kältemittel 29 aus dem Adsorber/Desorber-Material desorbiert und somit ausgetrieben wird.
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Dabei ist bevorzugt eine Anordnung aus der Adsorptionskältemaschine 1 und einem nicht dargestellten Motor vorgesehen, wobei die Anordnung besonders bevorzugt Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens ist. Die Adsorptionskältemaschine 1 ist mit dem Motor über eine Fluidverbindung derart verbunden, dass der Adsorptionskältemaschine 1 Abwärme des Motors, insbesondere Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs des Motors, als Wärmequelle zuführbar ist. Die Abwärme des Motors, die entweder von dem Abgas umfasst ist oder in dem Kühlmittel, welches zur Kühlung des Motors verwendet wird, vorliegt, wird demnach verwendet, um das Kältemittel 29 aus dem Adsorber/Desorber-Material 7 zu desorbieren.
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Das desorbierte Kältemittel gelangt über die Rohrleitung 11 in die zweite Kammer 5, wo es kondensiert. Es ist offensichtlich, dass während der Desorptionsphase die Ventileinrichtung 13 in ihrer in 2 dargestellten, zweiten Funktionsstellung angeordnet ist, sodass der Fluidpfad zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 5 über die Rohrleitung 11 freigegeben ist.
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Ist die Desorptionsphase abgeschlossen und das Kältemittel 29 vollständig oder so vollständig wie entweder gewünscht oder möglich aus dem Adsorber/Desorber-Material 7 ausgetrieben, ist es möglich, die Ventileinrichtung 13 in ihrer ersten Funktionsstellung anzuordnen, die in 1 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 5 über die Rohrleitung 11 geschlossen, sodass kein Kältemittel 29 zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 5 strömen kann. Es ist so möglich, Kälteleistung in der Adsorptionskältemaschine 1 zu speichern. Da in der ersten Funktionsstellung gemäß 1 der Arbeitsraum 19 lediglich mit dem Umgebungsdruck aus der Umgebung 23, insbesondere mit Atmosphärendruck, beaufschlagt wird, kann dieser Speicherungszustand quasi beliebig lange aufrechterhalten werden, ohne dass es hierzu einer Zufuhr an Leistung, beispielsweise zum Antrieb einer Pumpe, bedarf. Insbesondere kann die Kälteleistung in einem Kraftfahrzeug auf diese Weise gespeichert werden, ohne dass ein Motor, also eine Brennkraftmaschine oder eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs, betrieben werden muss.
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Soll die Kälteleistung abgerufen werden, wird die Ventileinrichtung 13 wiederum in ihre in 2 dargestellte, zweite Funktionsstellung gebracht, und der Fluidpfad zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 5 über die Rohrleitung 11 wird freigegeben.
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In diesem Fall herrscht aufgrund der sehr großen Oberfläche des Adsorber/Desorber-Materials 7 eine Triebkraft zur Adsorption des Kältemittels 29 auf dieser Oberfläche. Das Adsorber/Desorber-Material saugt somit quasi das Kältemittel 29 an, welches in der zweiten Kammer 5 verdampft, über die Rohrleitung 11 in die erste Kammer 3 strömt und dort auf der Oberfläche des Adsorber/Desorber-Materials adsorbiert wird. Dabei nimmt das Kältemittel 29 in der zweiten Kammer 5 Verdampfungswärme auf, sodass hier Kälteleistung zur Verfügung gestellt wird, die zur Klimatisierung beispielsweise eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Die in der ersten Kammer 3 freiwerdende Adsorptionswärme wird vorzugsweise abgeführt.
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Insgesamt zeigt sich, dass es aufgrund der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der Ventileinrichtung 13 möglich ist, eine einfach aufgebaute, kostengünstig realisierbare und effiziente Adsorptionskältemaschine 1 bereitzustellen, die in der Lage ist, Kälteleistung auch lange Zeit sicher zu speichern. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf eine Anordnung der Adsorptionskältemaschine 1 mit einem Motor sowie auf ein Kraftfahrzeug aus, welches mit der Adsorptionskältemaschine 1 ausgestaltet ist.
