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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Kälte-/Wärmespeicher
für eine
Klimaeinrichtung, insbesondere eine Standklimaanlage eines Kraftfahrzeugs,
mit mehreren Speicherkörpern
für ein
im aufgetauten Zustand flüssiges
Speichermedium, die mit zumindest einem meanderförmigen Wärmeträgerrohr wärmeleitend verbunden sind.
Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaeinrichtung mit einem solchen
Kälte-/Wärmespeicher.
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Ein Kältespeicher der oben genannten
Art ist aus
DE 198
39 994 C1 und auch aus
DE 198 39 992 A1 sowie
DE 199 39 943 A1 bekannt.
In diesen Druckschriften ist je eine Eisspeicher-Baueinheit mit übereinander
angeordneten Eisspeicher-Profilkörpern und
dazwischen verlegten Kältemittelrohren
beschrieben. Die Eisspeicher-Profilkörper sind mit einem Aluminium-Außenprofil
gebildet, in dem ein im aufgetauten Zustand flüssiges Eisspeichermedium enthalten
ist. Die Kältemittelrohre
sind durch Verpressen mit den Aluminium-Außenprofilen wärmeleitend
verbunden. Gemäß
DE 198 39 994 C1 ist
ein Isolationsgehäuse
aus einem Polyurethanschaum vorgesehen.
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Aus WO98/Q4644 ist es bekannt, dass
zur Speicherung von Wärme
oder Kälte
ein einen Phasenübergang
bzw. Phasenwechsel durchlaufendes Material (phase change material,
PCM) verwendet werden kann, das in einer Matrix aus gepress tem,
expandiertem Graphit eingebettet ist und mit dieser ein Speicherverbundmaterial
bildet. Der Phasenübergang
des PCM erfolgt zwischen zwei festen oder zwischen einem festen
und einem flüssigen
oder zwei flüssigen
Aggregatszuständen.
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Solche Speicherverbundmaterialen
garantieren jedoch gemäß
DE 199 29 861 A1 keinen
dauerhaften Einschluss des PCM und sind mechanisch weich. Des Weiteren
ist die Verarbeitung von Graphit nicht unproblematisch. Daher sollen
gemäß
DE 199 29 861 A1 poröse Trägermaterialien,
vorzugsweise granulare Leichtzuschlagstoffe verwendet werden, die
mit einer Umhüllung
versehen sein können.
Als Umhüllung
wird eine Kunststoffschicht, wie Teflon vorgeschlagen.
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Gemäß
DE 100 23 949 C1 ist ferner
die Langzeitstabilität
einer elastischen Graphitmatrix nicht nachgewiesen und es steht
bisher keine brauchbare kostengünstige
Produktionstechnik zur Verfügung.
In
DE 100 23 949 C1 wird
daher die Verwendung einer metallischen Hohlfaserstruktur vorgeschlagen,
die von einem PGM zu umgeben ist, Die Hohlfaserstruktur ist als
Mikrostruktur-Wärmetauscher
in einer Größenordnung
von 100 nm bis 100 μm
Wandstärke
gestaltet.
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Aus
DE 198 57 121 A1 ist ein Kältespeicher, insbesondere
für die
Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums bekannt, bei dem wechselweise
gestapelte Hüllen
mit einem Glykolgemisch oder einer Salzlösung zwischen Flachrohren angeordnet
sind. Die Flachrohre sind stirnseitig offen und dienen zwischen
zwei Verteilkammern am Ende der gestapelten Hüllen als Kanäle für ein Wärmeträgermedium.
Die Hüllen
sind schlauchartig aus einem Kunststoff gestaltet, der auf einfache
Weise an den Enden zusammengedrückt
und verschweißt
ist.
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Zugrundeliegende
Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Klimaeinrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern,
dass deren Kälte-/Wärmespeicher
kostengünstiger
herzustellen ist und zugleich eine hohe Betriebssicherheit, insbesondere hinsichtlich
der fahrzeugeigenen Vibrationen und des dauerhaften Kontaktes zwischen
Speichermedium und Wärmeträgerrohren,
aufweist.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
oben genannten Kälte-/Wärmespeicher
gelöst, bei
dem die Speicherkörper
plattenförmig
ausgebildet und gestapelt angeordnet sind und das mindestens eine
Wärmeträgerrohr
als Flachrohr gestaltet und großflächig anliegend
zwischen den gestapelten plattenförmigen Speicherkörpern meanderförmig verlaufend
angeordnet ist. Die Aufgabe ist ferner mit einer Klimaeinrichtung
gelöst,
bei der ein solcher erfindungsgemäßer Kälte-/Wärmespeicher vorgesehen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kälte-/Wärmespeicher
sind die Strömungswege
für den
bzw. die flüssigen
bzw. gasförmigen
Wärmeträger mit
Flachrohren gestaltet, die meanderförmig zwischen gestapelten plattenförmigen Speicherkörpern verlegt
sind. Dieser Aufbau ist insbesondere hinsichtlich des großflächigen Wärmeübergangs
zwischen den Flachrohren und den plattenförmigen Speicherkörpern von Vorteil-
Ferner kann erfindungsgemäß auf Verteilkammern
verzichtet werden, wie sie beispielsweise in
DE 198 57 121 A1 vorgesehen
sind. Darüber
hinaus weist die Erfindung noch den besonderen Vorteil auf, dass
die meanderförmigen
Flachrohre Maßabweichungen
hinsichtlich der Dicke der plattenförmigen Speicherkörper ideal
ausgleichen und ferner der erfindungsgemäß gebildete Stapel aus Speicherkörpern besonders
vibrationsbeständig
ist. Erfindungsgemäß ist daher
ein guter und dauerhafter Wärmeübergang
bei zugleich einfachster Fertigungstechnik gewährleistet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung sind mehrere so genannte erste Wärmeträgerrohre vorgesehen, die parallel
zueinander meanderförmig
verlau fend zwischen den gestapelten plattenförmigen Speicherkörpern angeordnet
und an mindestens einem Ende durch eine Querleitung verbunden sind,
und mindestens ein so genanntes zweites Wärmeträgerrohr vorgesehen ist, das
zwischen den ersten Wärmeträgerrohren
und parallel zu diesen verlaufend meanderförmig zwischen den gestapelten
plattenförmigen
Speicherkörpern
angeordnet ist. In den ersten Wärmeträgerrohren
fließt
insbesondere zum Entladen des Kälte-/Wärmespeichers
Sole (Wasser-Glykol-Gemisch) oder Luft, insbesondere zum Entlade
eines Kälte-/Wärmespeichers.
Das erfindungsgemäße mindestens
eine zweite Wärmeträgerrohr
wird insbesondere von einem Kältemittel
als Wärmeträger durchströmt, beispielsweise
von R134a. Die Anzahl der Wärmeträgerrohre
bzw, Kühlschlangen
ist erfindungsgemäß an das
jeweilige Wärmeträgermedium
angepasst.
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Darüber hinaus kann vorteilhaft
das zweite Wärmeträgerrohr
in einem Winkel, insbesondere quer zu dem mindestens einen ersten
Wärmeträgerrohr
angeordnet sein. Die erfindungsgemäßen Wärmeträgerrohre können also vorteilhaft sowohl
parallel als auch kreuzweise zwischen den plattenförmigen Speicherkörpern angeordnet
sein.
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Die Speicherkörper der erfindungsgemäßen Gestaltung
sind vorteilhaft aus einem Graphitmatrixmaterial gebildet. Ein Graphitmatrixmaterial
gewährleistet
eine besonders gute Wärmeübertragung.
Der einem Graphitmatrixmaterial innewohnende eigentliche Nachteil,
dass es mechanisch weich ist, wirkt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion des
Kälte-/Wärmespeichers
hingegen nicht negativ aus. Erfindungsgemäß können Maßabweichungen des Materials
durch die meanderförmige
Form der Wärmeträgerrohre
ausgeglichen werden, wobei sich die Wärmeträgerrohre an ihren bogenförmigen Abschnitten
geringfügig
verformen.
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Die erfindungsgemäßen plattenförmigen Speicherkörper sind
ferner vorteilhaft mit einer Umhüllung
versehen. Auf diese Weise kann jegliche Flüssigkeitsdiffusion und Korrosion
an den Grenzflächen
der Speicherkörper
verhindert werden. Um gebende Bauteile, wie beispielsweise eine Isolierschicht,
ein Gehäuse
oder die erfindungsgemäßen Flachrohre
sind damit dauerhaft geschützt.
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Besonders einfach lässt sich
die Umhüllung mit
einer wasserundurchlässigen
Folie ausbilden. Die Folie kann insbesondere als Folienverpackung gestaltet
sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu
einer Folienverpackung der Speicherkörper können die Wärmeträgerrohre mit einer Schutzschicht
gegen Kontaktkorrosion versehen sein. Die Schutzschicht kann zum Beispiel
als Pulverbeschichtung oder KTL-Beschichtung
ausgebildet sein.
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Darüber hinaus kann bei dem erfindungsgemäßen Kälte-/Wärmespeicher
mit den plattenförmigen
Speicherkörpern
und den Flachrohren ein Speicherblock gebildet sein, an dem zumindest
an einer Seitenfläche
eine Schicht aus einem quellenden Schaummaterial, insbesondere aus
Polyurethanschaum gebildet ist, zum Erzeugen von Pressdruck auf
die großflächigen Seiten
der einzelnen Speicherkörper.
Die Schicht aus Schaummaterial dient grundsätzlich als Isolationsschicht.
Darüber
hinaus wird die Schicht erfindungsgemäß noch quellend ausgebildet, derart,
dass sie auf den Speicherblock Pressdruck ausübt und damit die Speicherkörper gegen
die Flächen
der Wärmeträgerrohre
presst. Es wird auf diese Weise trotz Maßtoleranzen hinsichtlich der
Dicke der Speicherkörper
ein guter Wärmeübergang
zwischen den Wärmeträgerrohren
und den Speicherkörpern geschaffen,
Insbesondere hinsichtlich der Verwendung von Graphitmatrixmaterial
ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft, denn mit dem Pressdruck werden
die erfindungsgemäßen Flachrohre
umfassend in die mechanisch weichen Speicherkörper eingebettet.
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Ferner ermöglichen der kompakte Aufbau des
Kälte-/Wärmespeichers
und die meanderförmige Gestaltung
der Wärmeträgerrohre,
dass bei fahrzeugspezifischen Vibrationen keine relative Bewegung
zwischen den Bauteilen entsteht. Hierdurch sind die Bauteile, insbesondere
die Graphitmatrix gegen Vibration geschützt.
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Die Schicht aus Schaummaterial kann
darüber
hinaus derart aushärtend
gestaltet werden, dass sie selbst ein Gehäuse des Kälte-/Wärmespeichers bildet. Um ein
solches Gehäuse
auszubilden, kann das Schaummaterial beispielsweise in eine Form
gespritzt werden, in der die Speicherkörper zusammen mit den Wärmeträgerrohren
gehaltert sind.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Klimaeinrichtung
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
erste perspektivische Ansicht eines Kälte-/Wärmespeichers einer Klimaeinrichtung gemäß der Erfindung,
und
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2 eine
zweite perspektivische Ansicht des Kälte-/Wärmespeichers gemäß 1.
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Detaillierte
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 und 2 ist ein Kälte-/Wärmespeicher 10 einer
weiter nicht veranschaulichten Standklimaanlage veranschaulicht.
Der Kälte-/Wärmespeicher 10 weist
als wesentliche Bauelemente mehrere plattenförmig gestaltete Speicherkörper 12 auf,
die aufeinander gestapelt angeordnet sind und sich dabei im Wesentlichen
hinsichtlich ihrer so genannten Hauptebene überdecken.
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Zwischen den Speicherkörpern 12 sind
erste Wärmeträgerrohre 14 angeordnet,
die als meanderförmige
Flachrohre gestaltet sind. Die meanderförmigen Wärmeträgerrohre 14 sind jeweils
in einer Ebene senkrecht zur Hauptebene der plattenförmigen Speicherkörper 12 gebogen.
Insgesamt sind vier solcher meanderförmigen Wärmeträgerrohre 14 mit etwas Abstand
nebeneinander angeordnet.
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Ein Einlass 16 für die Wärmeträgerrohre 14 führt in ein
Einlassquerrohr 18, das sich an einem Ende der Wärmeirägerrohre 14 quer über alle
ersten Wärmeträgerrohre 14 hinweg
erstreckt. Das Einlassrohr 16 ist fluidleitend mit alten
ersten Wärmeträgerrohren 14 verbunden,
insbesondere verlötet.
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In den ersten Wärmeträgerrohren 14 strömt Sole
(Wasser-Glykol-Gemisch oder ähnliches),
die beispielsweise in einem Solekreislauf zum Entladen eines kalten
oder warmen Kälte-/Wärmespeichers 10 oder
zum Laden eines Kälte-/Wärmespeichers 10 mit Wärmeenergie
dient.
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Die Wärmeträgerrohre 14 weisen
abwechselnd aufeinander folgende ebene Abschnitte 20 und gebogene
Abschnitte 22 auf. Die ebenen Abschnitte 20 sind
in flächigem
Kontakt mit zwei benachbarten Speicherkörpern 12 angeordnet
und lenken die Strömung
der Sole entlang der Speicherkörper 12.
Die gebogenen Abschnitte 22 lenken jeweils die Strömung der
Sole von einer Oberseite eines Speicherkörpers 12 zu dessen.
Unterseite.
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An dem anderen Ende der ersten Wärmeträgerrohre 14 ist
ein Auslassquerrohr 24 in fluidleitender Verbindung mit
allen ersten Wärmeträgerrohren 14 quer
zu diesen angeordnet. Aus dem Auslassquerrohr 24 führt ein
Auslass 26 zu einer nicht dargestellten Soleleitung der
Standklimaanlage.
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Zwischen jeweils zwei meanderförmigen ersten
Wärmeträgerrohren 14 sind
ebenfalls meanderförmig
gebogene zweite Wärmeträgerrohre 28 angeordnet.
Auf diese Weise sind insgesamt drei Wärmeträgerrohre 28 etwas
beabstandet van einander in dem Kälte-/Wärmespeicher 10 vorgesehen.
Ein Einlass 40 für
die zweiten Wärmeträgerrohre 28 führt in einen
Verteiler bzw. ein Verteilerrohr 42 der mit den Wärmeträgerrohren 28 über Verteilerrohre 38 und
ein Einlassquerrohr 44 mit getrennten Kammern fluidleitend
verbunden ist. Die Einlassquerrohr 44 und die Verteilerrohre 38 bilden
eine Verteilerspinne, die mit den Wärmeträgerrohren 28 durch
die getrennten Kammern bzw. Abschnitte verbunden ist. Durch den Vertei ler 42 und
die Verteilerrohre 38 wird auf diese Weise das Kältemittel
in die einzelnen Wärmeträgerrohre
bzw. Flachrohre 28 getrennt eingespeist.
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Die zweiten Wärmeträgerrohre 28 sind ebenfalls
als Flachrohre mit je ebenen Abschnitten 34 gestaltet,
die zwischen zwei Speicherkörpern 12 angeordnet
sind, und mit je gebogenen Abschnitten 36, mittels denen
Kältemittel
von einer Oberseite eines Speicherkörpers 12 an dessen
Unterseite umgelenkt wird.
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In den zweiten Wärmeträgerrahren 28 strömt als Kältemittel
beispielsweise R134a. das Kältemittel strömt ferner
durch einen nicht dargestellten Kühlkreislauf der Klimaeinrichtung 10,
so dass mit ihm der Kälte-/Wärmespeicher 10 gekühlt und
damit mit „Kälteenergie" geladen werden kann.
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die zweiten Wärmeträgerrohre 28 sind an
ihren jeweils anderen Enden mit einem Auslassquerrohr 32 und
einem Auslass 30 versehen.
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Die Flachrohre der ersten und zweiten
Wärmeträgerrohre 28 sind
aus Aluminiumprofilen mit im Wesentlichen gleichen äußeren Abmessungen,
insbesondere hinsichtlich ihrer Querschnitte gestaltet. Alternativ
können
erste und zweite Wärmeträgerrohre 28 vorgesehen
sein, deren Querschnitte die gleiche Hohe und unterschiedliche Breiten
aufweisen. Auf diese Weise können
unterschiedliche Strömungsquerschnitte
für die
ersten und zweiten Wärmeträgerrohre 14 und 28 vorgesehen
werden, und zugleich kann sichergestellt werden, dass die Wärmeträgerrohre
großflächig an
den benachbarten Speicherkörpern
anliegen.
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Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die zweiten Wärmeträgerrohre 28 quer zu
den ersten Wärmeträgerrohren 14 angeordnet.
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Die Wärmeträgerrohre 14, 28 und 38 sowie ihre
Ein- und Auslässe
und Ein- und Auslassquerrohre sind mit nicht veranschaulichten Pulverbeschichtungen überzogen.
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Die Speicherkörper 12 sind jeweils
aus zwei, drei bzw. mehreren Graphitmatrixplatten gebildet, die aufeinander
gestapelt und aneinander anliegend mit nicht dargestellten wasserundurchlässigen Folienverpackungen
umhüllt
sind. Die Anzahl der Graphitmatrixplatten ist in Abhängigkeit
der Leistungsfähigkeit
des Kälte-/Wärmespeichers 10 festgelegt.
In den Folienverpackungen ist als Speichermedium Wasser in der jeweils
zugehörigen
Graphitmatrix gespeichert.
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Beim Betrieb des Kälte-/Wärmespeichers 10 wird
das in der einzelnen Graphitmatrix gespeicherte Wasser unter Phasenumwandlung
gekühlt
bzw. erwärmt.
Dabei wird, z.B. beim Übergang
zwischen der flüssigen
und der festen Phase unter Ausnützung
der Phasenumwandlungsenergie, Energie in dem Kälte-/Wärmespeicher
gespeichert bzw. diesen, entzogen. Der Transport der Energie in
und aus dem Kälte-/Wärmespeicher 10 erfolgt über die
in den Wärmeträgerrohren 14 und 28 strömenden Medien,
wobei durch die großflächige Anlage
der Wärmeträgerrohre 14 und 28 an
den Außenflächen der
Speicherkörper 12 für einen
besonders guten Übergang
an Wärmeenergie
gesorgt. ist.
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Der aus den Speicherkörpern 12 und
den Wärmerohren 14 und 26 gebildete
Block ist in ein nicht dargestelltes Polyurethanschaum-Gehäuse eingespritzt,
das den Block insgesamt umhüllt.
Dieses Gehäuse
ist derart stabil ausgebildet, dass es die gewünschte Schutz- und isolierfunktion
der darin befindlichen Bauelemente übernimmt. Das Gehäuse ist ferner
mit einem quellenden Schaummaterial dergestalt ausgebildet, dass
das Quellen des Schaummaterials auf die Oberseite und die Unterseite
(bezogen auf 1) des
Blocks aus den Speicherkörpern 12 und
den Wärmerohren 14 und 26 einen
erheblichen Pressdruck erzeugt. Dieser Pressdruck drängt die plattenförmigen Speicherkörper 12 insgesamt
zusammen und führt
zu einer vollflächigen
Anlage der ebenen Abschnitte 20 und 34 der Wärmeträgerrohre 14 bzw. 28 an
den benachbarten Speicherkörpern 12.
Während
des Zusammenpressens der Speicherkörper 12 gleichen die
gebogenen Ab schnitte 22 und 86 der Wärmeträgerrohre 14 und 28 Maßabweichungen
hinsichtlich der Dicken der Speicherkörper 12 aus, indem
sie sich geringfügig
verformen.
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Der derart gebildete Kälte-/Wärmespeicher 10 ist
verhältnismäßig einfach
aufgebaut und enthält wenige
Bauelemente. Er ist daher wenig störanfällig sowie wartungs- und diagnosefreundlich,
Darüber
hinaus weist er insgesamt einen kompakten Aufbau auf. Der Kälte-/Wärmespeicher 10 hat
ein verhältnismäßig geringes
Gewicht und ist günstig
hinsichtlich Material- und Fertigungskosten.
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Ferner ist der Kälte-/Wärmespeicher 10 leicht
skalierbar und kann leicht in verschiedenen Fahrzeugtypen appliziert
werden, ohne dass Bauelemente dazu neu entwickelt werden müssten. In
einem Fahrzeug kann der Kälte-/Wärmespeicher 10 je nach
Bedarf an unterschiedlichen Stellen integriert werden.
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- 10
- Kälte-/Wärmespcicher
- 12
- Speicherkörper
- 14
- erstes
Wärmeträgerrohr
- 16
- Einlass
- 18
- Einlassquerrohr
- 20
- ebener
Abschnitt
- 22
- gebogener
Abschnitt
- 24
- Auslassquerrohr
- 26
- Auslass
- 28
- zweites
Wärmeträgerrohr
- 30
- Auslass
- 32
- Auslassquerrohr
- 34
- ebener
Abschnitt
- 36
- gebogener
Abschnitt
- 38
- Verteilerrohr
- 40
- Einlass
- 42
- Verteiler
- 44
- Einlassquerrohr
- 46
- Graphitmatrixplatten