DE19755193A1 - Vorrichtung zur Heizung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs mit Elektromotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Heizung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs mit Elektromotor, die einen Heizradiator umfaßt, der von einem Luftstrom durchströmt werden kann.

Um die Heizung des Fahrgastraums eines durch einen Elektromotor angetriebenen Fahrzeugs auszuführen, ist es bekannt, einen elektrischen Heizradiator zu ver­ wenden, der durch an Bord des Fahrzeugs installierte Batterien gespeist wird. Dieser elektrische Heizra­ diator ist zumeist im Fahrgastraum anstelle des her­ kömmlichen Heizradiators angeordnet, der im Falle ei­ nes durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs von einem heißen Wärmeträgermedium durch­ strömt wird.

Die Verwendung eines elektrischen Heizradiators ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Da dieser elektrische Radiator durch die Batterien des Fahr­ zeugs gespeist wird, wirkt sich die Heizung des Fahr­ gastraums als erstes zum Nachteil des Aktionsradius des Fahrzeugs aus, da diese Batterien auch für die Stromversorgung der Elektromotoren dienen.

Darüber hinaus ist die Leistung eines derartigen elektrischen Radiators notwendigerweise begrenzt, woraus sich der Nachteil ergibt, daß bei kaltem Wet­ ter die Beheizung des Fahrgastraums im allgemeinen unzureichend ausfällt.

Um diesen Leistungsmangel abzustellen, ist es be­ kannt, den elektrischen Heizradiator durch einen her­ kömmlichen Heizradiator zu ergänzen, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, das zur Kühlung des Leistungsstromkreises des Elektromotors des Fahr­ zeugs dient, der auch als "Leistungselektronik" be­ zeichnet wird. Dabei wird die Wärmequelle am Lei­ stungsstromkreis des Fahrzeugmotors über einen Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium entnommen, bei dem es sich üblicherweise um Wasser mit Zusatz eines Frostschutzmittels handelt.

Der Hauptnachteil einer solchen Heizungsvorrichtung, die als "Misch-Vorrichtung" bezeichnet werden kann, besteht darin, daß ein Flüssigkeitskreislauf und ein elektrischer Stromkreis im Fahrgastraum zusammen in der Nähe der Fahrzeuginsassen angeordnet sind, was eine große Gefahr darstellen kann.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrun­ de, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen.

Dazu schlägt sie eine Heizungsvorrichtung der ein­ gangs genannten Art vor, bei der der Heizradiator ei­ ne erste Lage, die mit einem ersten Kreislauf verbun­ den ist, der von einem ersten Wärmeträgermedium durchströmt wird und zur Kühlung des elektronischen Leistungsstromkreises des Elektromotors des Fahrzeugs dient, und eine zweite Lage umfaßt, die mit einem zweiten Kreislauf verbunden ist, der von einem zwei­ ten Wärmeträgermedium durchströmt wird und eine die­ ses zweite Wärmeträgermedium enthaltende Kammer um­ faßt, in die mindestens ein elektrischer Widerstand eingetaucht ist.

Die Beheizung des Fahrgastraums erfolgt daher anhand eines einzigen Radiators oder Wärmetauschers, der zwei auch als "Ebenen" bezeichnete Lagen umfaßt, wo­ bei die erste Lage hauptsächlich zur Kühlung des Lei­ stungsstromkreises des Motors dient, während die zweite Lage zur Heizung über einen oder mehrere elek­ trische Widerstände dient, die in die vom zweiten Wärmeträgermedium durchströmte Kammer eingetaucht sind.

Um die Beheizung des Fahrgastraums herbeizuführen, wird dabei sowohl die Wärmeenergie, die durch den Leistungsstromkreis des Fahrzeugmotors erzeugt wird, als auch die Wärmeenergie genutzt, die durch den oder die in die Kammer eingetauchten elektrischen Wider­ stände bereitgestellt wird.

Dadurch daß der Radiator zwei Lagen umfaßt, die je­ weils von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden, läßt sich die gemeinsame Anordnung eines Flüssig­ keitskreislaufs und eines elektrischen Stormkreises vermeiden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der erste Kreislauf einen Kühler für den Elektromotor des Fahrzeugs.

Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der er­ ste Kreislauf ein Ventil enthält, das zwei Positionen einnehmen kann: eine sogenannte "Sommer"-Position, in der das erste Wärmeträgermedium im Kühler zirkuliert, und eine sogenannte "Winter"-Position, in der das er­ ste Wärmeträgermedium in der ersten Lage des Heizra­ diators zirkuliert.

Der erste Kreislauf, der zur Kühlung des Lei­ stungsstromkreises des Motors dient, kann daher zwei verschiedene Position einnehmen. In der sogenannten "Sommer"-Position wird das erste Wärmeträgermedium zum Kühler des Fahrzeugs geleitet, ohne durch die er­ ste Lage des Heizradiators zu strömen. In der soge­ nannten "Winter"-Position durchströmt das erste Wär­ meträgermedium die erste Lage des Heizradiators, wodurch die Wärmeabgabe für die Beheizung des Fahr­ gastraums genutzt werden kann.

Die zweite Lage des Heizradiators dient ausschließ­ lich zur Beheizung des Fahrgastraums während der kal­ ten Jahreszeit über den oder die in die Kammer einge­ tauchten elektrischen Widerstände. Diese elektrischen Widerstände werden in der warmen Jahreszeit natürlich nicht eingeschaltet.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Umwälzmittel, um das erste Wärmeträgerme­ dium und das zweite Wärmeträgermedium im ersten Kreislauf bzw. im zweiten Kreislauf zirkulieren zu lassen.

Diese Umwälzmittel umfassen vorteilhafterweise eine zweistufige Pumpe mit einer ersten Turbine und einer zweiten Turbine, die mit dem ersten Kreislauf bzw. mit dem zweiten Kreislauf verbunden sind, sowie einen gemeinsamen Elektromotor, der die erste Turbine und die zweite Turbine im Gleichlauf antreibt.

Das erste Wärmeträgermedium und das zweite Wärmeträ­ germedium bestehen vorteilhafterweise jeweils aus Wasser mit Zusatz eines Frostschutzmittels.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung sind die er­ ste Lage und die zweite Lage des Heizradiators durch einen Schlitz voneinander getrennt.

Der Heizradiator ist vorzugsweise auf der Seite des Fahrgastraums angeordnet, während der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf vorteilhafterweise auf der Seite des Motorraums des Fahrzeugs angeordnet sind.

In der nachstehenden, nur als Beispiel angeführten Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen. Darin zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Heizung des Fahrgast­ raums eines Fahrzeugs mit Elektromotor;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Heizra­ diators der Vorrichtung von Fig. 1; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer zweistu­ figen Pumpe, die zu der Vorrichtung von Fig. 1 ge­ hört.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 darstellt, die in ei­ nem durch einen Elektromotor M angetriebenen Fahrzeug installiert ist. Dieser Elektromotor M ist im Motor­ raum CM des Fahrzeugs angeordnet, der durch eine Stirnwand T vom Fahrgastraum H getrennt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Heizra­ diator 12, der auf der Seite des Fahrgastraums H an­ geordnet ist und eine erste Lage 14 und eine zweite Lage 16 umfaßt, die in dieser Reihenfolge von einem Luftstrom F durchströmt werden können. Der Luftstrom F, bei dem es sich entweder um außerhalb des Fahr­ gastraums aufgenommene Luft oder um aus dem Innern des Fahrgastraums entnommene Umluft oder um eine Mi­ schung aus beiden handelt, wird durch den Heizradia­ tor 12 erwärmt und anschließend durch (nicht darge­ stellte) Düsen in den Fahrgastraum H eingeleitet.

Der Heizradiator 12 ist nach einer bekannten Technik ausgeführt und umfaßt (nicht dargestellte) Rohre, die durch (nicht dargestellte) Rippen hindurchgehen. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Lagen 14 und 16 durch einen Schlitz 18 voneinander getrennt.

Die Lage 14 ist mit einem ersten Kreislauf 20 verbun­ den, der von einem ersten Wärmeträgermedium durch­ strömt wird, im vorliegenden Beispiel von Wasser, dem ein Frostschutzmittel wie etwa Glykol zu gesetzt ist. Der Kreislauf 20 ist mit einem Wärmetauscher 22 hin­ tereinandergeschaltet, der zur Kühlung des (auch als "Leistungselektronik" bezeichneten) Leistungsstrom­ kreises CP des Elektromotors M dient. Denn der Lei­ stungsstromkreis des Elektromotors eines Kraftfahr­ zeugs gibt eine nicht unerhebliche Wärmeenergie ab. Der Kreislauf 20 ermöglicht die Aufnahme dieser Wär­ meenergie und ihre Weiterleitung in die erste Lage 14.

Der erste Kreislauf 20 umfaßt außerdem einen herkömm­ lichen Kühler 24, der zur Kühlung des Motors M dient. Dieser Kühler 24 ist über die Leitungen 26 und 28 parallel mit dem Kreislauf 20 geschaltet, wobei der Einlaß zum Kühler 24 durch ein Ventil 30 in der Aus­ führung als Dreiwegeventil kontrolliert wird. Dieses Ventil 30 kann zwei Positionen einnehmen: eine soge­ nannte "Sommer"-Position, in der das Wärmeträgermedi­ um im Kühler 24 zirkuliert, ohne durch die Lage 14 des Heizradiators 12 zu strömen, und eine sogenannte "Winter"-Position, in der das Wärmeträgermedium in der Lage 14 des Heizradiators 12 zirkuliert, ohne durch den Kühler 24 zu strömen.

Die zweite Lage 16 des Heizradiators 12 ist mit einem Kreislauf 32 verbunden, der von einem zweiten Wärme­ trägermedium durchströmt wird, das im vorliegenden Beispiel ebenfalls aus Wasser mit Zusatz eines Frost­ schutzmittels, wie etwa Glykol, besteht. Dieser Kreislauf 32 enthält außerdem eine Kammer 34, das heißt einen Behälter, der von dem zweiten Wärmeträ­ germedium durchströmt wird. Im Innern der Kammer 34 ist ein elektrischer Widerstand 36 eingetaucht, der mit einer elektrischen Stromquelle 38, das heißt mit den Batterien des Fahrzeugs, verbunden ist und der je nach der Position eines Schalters 40 mit Strom ver­ sorgt werden kann oder nicht.

Der Umlauf der beiden Wärmeträgermedien in den Kreis­ läufen 20 und 32 wird durch eine Pumpe 42 in zweistu­ figer Ausführung herbeigeführt. Diese Pumpe 42 ent­ hält eine erste Stufe (Turbine 44), die in den Kreislauf 20 integriert ist, und eine zweite Stufe (Turbine 46), die in den Kreislauf 32 integriert ist (Fig. 1 und 3). Die Turbinen 44 und 46 werden gleichlaufend durch einen gemeinsamen Elektromotor 48 angetrieben (Fig. 3).

Die Pumpe 42 ermöglicht dadurch den gleichzeitigen Umlauf des ersten und zweiten Wärmeträgermediums im ersten Kreislauf 20 bzw. im zweiten Kreislauf 32.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich wie folgt beschreiben.

In der als "Sommer" bezeichneten Position läßt das Ventil 30 das erste Wärmeträgermedium im Kühler 24 zirkulieren, ohne durch die erste Lage 14 zu strömen. Dabei wird die durch den Leistungsstromkreis CP des Motors M abgegebene Wärmeenergie durch den Kühler 24 abgeleitet. Gleichzeitig ist der Schalter 40 geöff­ net, so daß der elektrische Widerstand 36 nicht ein­ geschaltet ist und das zweite Wärmeträgermedium nicht erwärmt wird. Demzufolge werden die beiden Lagen des Heizradiators 12 jeweils von einem kalten Wärmeträ­ germedium durchströmt, wobei der Luftstrom F nicht erwärmt wird.

In der als "Winter" bezeichneten Position läßt das Ventil das erste Wärmeträgermedium in der ersten Lage 14 des Heizradiators 12 zirkulieren. Wenn die durch die erste Lage 14 erzeugte Wärmeleistung ausreichend ist, wird der Schalter 40 in seine geöffnete Position gebracht, so daß das in der Kammer 34 enthaltene zweite Wärmeträgermedium nicht erwärmt wird. Wenn diese Wärmeleistung dagegen unzureichend ist, wird der Schalter 40 in seine geschlossene Position ge­ bracht, was eine Erwärmung des zweiten Wärmeträgerme­ diums in der Kammer 34 und eine Wärmeenergiezufuhr in der zweiten Lage 16 des Heizradiators 12 zur Folge hat.

Dadurch wird der Luftstrom F nacheinander durch die erste Lage 14 und die zweite Lage 16 erwärmt.

Wie man in Fig. 1 erkennen kann, ist mit Ausnahme des Heizradiators 12, der auf der Seite des Fahrgast­ raums H angeordnet ist, der gesamte Rest der Vorrich­ tung 10, insbesondere die Kreisläufe 20 und 32, im Innern des Motorraums angebracht.

Daraus folgt, daß sich nur eine einzige Art von Wär­ meträgermedium (Flüssigkeit mit Zusatz von Frost­ schutzmittel) im Fahrgastraum befindet, das heißt in den Lagen 14 und 16 des Heizradiators 12 zirkuliert.

Es befindet sich daher kein Hochspannungsstromkreis im Fahrgastraum, was zur Sicherheit im Falle eines Unfalls beiträgt.

Darüber hinaus ist ein einziger Elektromotor ausrei­ chend, um die beiden Stufen der Umwälzpumpe anzutrei­ ben, wodurch der elektrische Stromverbrauch entspre­ chend minimiert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Heizradiator nach der hinreichend bekannten Tech­ nik der Radiatoren mit durch Rippen hindurchgehenden Rohren ausgeführt ist.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die vorstehend als Beispiel beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern sie erstreckt sich auch auf andere Varianten.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Heizung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs mit Elektromotor, die einen Heizradiator umfaßt, der von einem Luftstrom durchströmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizradiator (12) eine erste Lage (14), die mit einem ersten Kreislauf (20) verbunden ist, der von einem ersten Wärmeträgermedium durchströmt wird und zur Kühlung des elektronischen Leistungsstromkreises (CP) des Elektromotors (M) des Fahrzeugs dient, und eine zweite Lage (16) umfaßt, die mit einem zweiten Kreislauf (32) verbunden ist, der von einem zweiten Wärmeträgermedium durchströmt wird und eine von die­ sem zweiten Wärmeträgermedium durchströmte Kammer (34) umfaßt, in die mindestens ein elektrischer Wi­ derstand (36) eingetaucht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Kreislauf (20) einen Kühler (24) für den Elektromotor (M) des Fahrzeugs enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Kreislauf (20) ein Ventil (30) enthält, das zwei Positionen einnehmen kann: eine sogenannte "Sommer"-Position, in der das erste Wärmeträgermedium im Kühler (24) zirku­ liert, und eine sogenannte "Winter"-Position, in der das erste Wärmeträgermedium in der ersten Lage (14) des Heizradiators (12) zirkuliert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß sie Um­ wälzmittel (42) umfaßt, um das erste Wärmeträgermedi­ um und das zweite Wärmeträgermedium im ersten Kreis­ lauf (20) bzw. im zweiten Kreislauf (32) zirkulieren zu lassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umwälzmittel eine zweistufige Pumpe (42) mit einer ersten Turbine (44) und einer zweiten Turbine (46) umfassen, die mit dem ersten Kreislauf (20) bzw. mit dem zweiten Kreislauf (32) verbunden sind, sowie einen gemeinsamen Elektro­ motor (48), der die erste Turbine (44) und die zweite Turbine (46) im Gleichlauf antreibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Wärmeträgermedium und das zweite Wärmeträgermedium jeweils aus Wasser mit Zusatz eines Frostschutzmit­ tels bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Lage (14) und die zweite Lage (16) des Heizradiators (12) durch einen Schlitz (18) voneinander getrennt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Heizradiator (12) auf der Seite des Fahrgastraums (H) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Kreislauf (20) und der zweite Kreislauf (32) auf der Seite des Motorraums (CM) des Fahrzeugs angeordnet sind.