DE2641493A1

DE2641493A1 - Luftkuehlanlage fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2641493A1
Application number: DE19762641493
Authority: DE
Inventors: Arbos Luis Cuatrecasas
Original assignee: CUATRECASAS ARBOS
Current assignee: CUATRECASAS ARBOS
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-15
Publication date: 1977-03-31
Also published as: IT1070486B; FR2324477A1; FR2324477B3

Description

Patentanwalt DIPL-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 · WISSMANNSTRASSE 14 · TELEFON 93 27 74 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den 15. Sept. 76 Unser Zeichen : 15 - 1667

Luis CUATKECASAS ARBOS, calle Roger de Flor 60-71, Barcelona 13,

Spanien

Luftkühlanlage für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine Luftkühlanlage für Kraftfahrzeuge, zum Kühlen der Luft des Innenraumes derselben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftkühlanlage zu schaffen, welche dem Verbrennungsmotor keine mechanische Energie entnimmt.

Die Lösung der Aufgabe ist gegeben durch einen von einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors geheizten Wärmetauscher, der an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, welcher eine Doppel-, konusdüse, einen Kondensor, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, durch die Anordnung der Kühlmittelauslaßoffnung des Wärmetauschers in Strömungsrichtung vor der Doppelkonusdüse, und durch eine zwischen Kondensor und Expansionsventil liegende

709813/0309

Abzweigung, die über eine Einspritzvorrichtung mit dem Kühlmitteleinlaß des Wärmetauschers verbunden ist.

Eine Alternativlösung ist gegeben durch einen von einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors geheizten Wärmetauscher, der' an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, welcher eine Vakuumpumpe, einen Kondensor, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, durch eine in die Kühlmittelauslaßleitung des Wärmetauschers eingeschaltete Turbine, die die Vakuumpumpe antreibt, und durch eine zwischen Kondensor und Expansionsventil liegende Abzweigung, die über eine Einspritzvorrichtung mit dem Kühlmitteleinlaß des Wärmetauschers verbunden ist.

Eine derartige Luftkühlanlage nutzt die überschüssige Wärme aus, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entsteht und läßt sich für Verbrennungsmotoren jeder Größe und Stärke mit offensichtlichem wirtschaftlichen Vorteil einsetzen. Sie entzieht dem Verbrennungsmotor keine Energie in der Form, daß die Antriebsleistung verringert wird, und eignet sich daher insbesondere für Fahrzeuge, deren Energie vollständig für die Vorwärtsbewegung verbraucht wird und die keinerlei Energie für andere Zwecke abgeben können, wie es etwa für die Kühlung mithilfe einer üblichen Klimaanlage nötig wäre.

Die zum Betrieb der Luftkühlanlage nötige Energie wird also nicht der vom Motor entwickelten mechanischen Antriebsenergie entnommen, sondern aus der überschüssigen Wärme des Kühlwassers oder aus irgendeiner anderen Abwärmequelle des Fahrzeugs, etwa aus den Abgasen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Luftkühlanlage nach der

Erfindung;
Fig. 2 ist ein Flußschema einer abgeänderten Luftkühlanlage nach der Erfindung.

709813/0309

- 2t -

Figur 1 zeigt einen kesseiförmigen Wärmetauscher 1, in welchen das vom Motor herkommende heiße Wasser 2 fließt (es kann dazu das gleiche heiße Wasser genutzt werden, das die Heizung speist, indem einfach eine Abzweigung davon vorgenommen wird, oder ein Kreislauf, der Wärme aus dem Auspuffrohr entimmt). Dieses heiße Wasser 2 gibt seine Entalpie zum Teil an einen kleineren Röhrenkessel 3 ab, der ein Kühlmittel enthält. Dieses Kühlmittel kocht bei niedriger Temperatur und entwickelt bei der Temperatur des Motorkühlwassers (etwa 80⁰C) einen großen Dampfdruck. Der sich so ergebende "aktive" Dampf strömt aus einem Mundstück 4 in eine Doppelkonusdüse 5 und erzeugt in dem vor der an die Düse 5 angeschlossenen Rohrleitung liegenden Raum ein Vakuum. Diese Rohrleitung führt von einer Kammer her, die in den zu kühlenden Raum 6 eingebaut ist, und die den "Verdampfer" 7 stellt, in welchem durch die Auswirkung des auf Grund des erzeugten Vakuums herrschenden Niederdrucks das dort vorhandene Kühlmittel bei niedriger Temperatur zum Kochen gebracht wird. Damit wird durch die so erhöhte Entalpie Wärme aus der Luft entzogen. Dieser Vorgang kann noch unterstützt werden, indem eine Luftströmung mit Hilfe des gleichen Ventilators erzeugt wird, der die von der Heizung kommende heiße Luft zum Umlaufen bringt. Der aktive Dampf und der mitgerissene Dampf des Kühlmittels mischen sich in der Düse in einem Verhältnis, das im wesentlichen von der Form der Düse abhängt, und die Mischung wird einem Verdichter 8 zugeführt und dort bei einer bestimmten Temperatur verflüssigt, so daß damit die der umgebenden Luft entnommene Entalpie wieder an die Außenluft 9 abgegeben wird.

Das kondensierte Kühlmittel verzweigt sich anschließend in zwei Richtungen: zum Teil kehrt es in den Wärmetauscher 1 zurück, in den es mithilfe einer Dampfspritzvorrichtung 10 eingeführt wird. Der Dampf ist der gleiche, der von dem Kessel selbst erzeugt wird,

709813/0309

aber es kann auch eine Pumpe dafür eingesetzt werden, die in diesem Fall einen sehr niedrigen Verbrauch aufweisen würde. Der andere Teil des aus dem Verdichter 8 kommenden Kühlmittels gelangt über ein Drosselventil 11 in den Verdampfer 7. Damit wird der Kühlmittelstrom gedrosselt und ein Niederdruck erzeugt, der es erlaubt, in dem Verdampfer den Niederdruck aufrecht zu erhalten, der für die Expansion des Kühlmittels notwendig ist.

Mit dem gleichen soeben beschriebenen Prinzip ist es möglich, in dem erwähnten Kreislauf eine Variante einzuführen, indem die Doppelkonusdüse und das dazugehörende Spritzmundstück so ausgebildet werden, daß der aus dem Kessel kommende aktive Dampf dazu verwendet wird, eine Turbine oder ein ähnliches System zu speisen, und damit wiederum die Vakuumpumpe eines zweiten, an den Verdampfer angeschlossenen Kreislaufs betrieben wird.

Mithilfe der soeben beschriebenen Vorrichtungen wird ein Doppelkreislauf erzeugt. Der erstere ist der Motorkreislauf und der zweite der Kühlkreislauf. Der aus beiden Kreisläufen kommende Dampf gelangt in die Verdichtung, indem der erstere über eine Dampfspritzvorrichtung in den Kessel zurückkehrt und der zweite über das Expansionsventil in den Verdampfer gelangt, so daß in diesem Fall das Strömungsmittel, mit dem die beiden Kreisläufe gespeist werden, verschieden sein kann.

Figur 2 zeigt das Flußschema einer derartigen Kühlanlage, in welcher statt der Doppelkonusdüse eine Turbine und eine Vakuumpumpe eingesetzt werden. In dieser Figur 2 sind diejenigen Teile, deren Funktion die gleiche wie in der Figur 1 ist, mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Aus dem Schema ist der Wärmetauscher 1 zu sehen, in den das heiße Wasser 2 fließt, das aus einer Wärmequelle stammt, deren Energie sonst ungenutzt verloren gehen würde. Dieses heiße Wasser 2 gibt seine Entalpie zum Teil an einen kleineren

709813/0309

Röhrenkessel ab, der einen Teil des Kühlmittels enthält. Dieses Kühlmittel kocht bei niedriger Temperatur unter Dampfentwicklung, und der so erzeugte aktive Dampf betreibt eine Turbine 13 oder ein ähnliches System, das wiederum eine Vakuumpumpe 14 in Betrieb setzt, welche mit einem zweiten, an den Verdampfer 7 angeschlossnen Kreislauf verbunden ist. Auf diese Weise ist ein Motorkreislauf 15 und ein Kühlkreislauf 16 gebildet. Der aus beiden Kreisläufen stammende Dampf wird kondensiert, indem der erstere über ein Dampfspritzmundstück 10 in den Kessel 1 zurückkehrt und der zweite über ein Expansionsventil 11 in den Verdampfer 7 gelangt.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Möglichkeit, die überschüssige Energie des Fahrzeugmotors zu nutzen, ergibt sich daraus, daß mechanische Energie erzeugt werden kann, indem der aus dem kleinen Kessel strömende aktive Dampf eine Turbine betreibt, wenn nur der Motorkreislauf (Kessel-Turbine-Verdichter-Pumpe-Kessel) der beiden soeben beschriebenen Kreisläufe in Betracht gezogen wird.

Anschließend wird hier ein praktisches Beispiel der Werte aufgezeigt, die sich für die Parameter im Falle einer Kühlung eines Kraftfahrzeugs ergeben, das im Sommer einer maximalen Sonnenbestrahlung ausgesetzt ist und das von höchstens fünf Insassen besetzt werden kann.

Es müssen die im folgenden aufgeführten Kcal/h abgeführt werden:

- Aus der Sonnenbestrahlung: 700 Kcal/h.m χ 5 m² = 3.500· Kcal/h

- Wärmeerzeugung durch die

Insassen: 100 Kcal/h.Person χ 5 Personen =

500 Kcal/h

insgesamt: 4.000 Kcal/h

709813/0309

264U93

Die Energiequelle, über die wir verfügen, ist Wasser von 80° C, wie wir bereits vorher erwähnt haben. Da der Druck des aktiven Dampfes mit der von uns eingesetzten Düse und unserer Berechnung nach 5 kg/cm² betragen würde (ein sich durchaus im Rahmen des Normalen bewegender Wert), können wir als Kühlmittel FREON 11 verwenden, das bei 80° C einen Dampfdruck von 5 kg/cm² entwickelt.

Der Verdichter muß seinerseits bei 40° arbeiten, um die im Hochsommer in der Umgebungsluft entwickelte Wärme abzuführen, so daß die Verdichtung des gewählten Kühlmittels bei 1,8 kg/cm² . Druck stattfindet. Es wird im Verdampfer eine Temperatur von 15° C aufrecht erhalten, die die Umluft entsprechend temperiert, so daß in dem Verdampfer ein Druck von 0,75 kg/cm² eingehalten werden muß. Da die ständige Verdampfungswärme für FREON 11 bei dieser Temperatur 44,20 Kcal/kg beträgt, müssen zwecks Abführung der 4.000 Kcal/h aus der Umluft folgende Mengen Kühlmittel in Umlauf gehalten werden: 4.0 00/44,20 90,5 kg Kühlmittel pro Stunde, so daß sich für das eingesetzte Spritzmundstück eine Aktivverdampfung von 90,5 χ 2,4 = 217 kg/h ergibt.

Die dafür notwendige Energie hängt von dem Entalpiesprung ab, der an das in dem Kessel zu verdampfende Kühlmittel abgegeben werden muß. Da dieses letztere mit 40° C aus dem Verdichter kommt und bei 80° C verdampft werden muß, stellt die erwähnte Entalpie die Differenz zwischen der Entalpie des Kühlmittels und diesen zwei Temperaturen dar: 63 - 16 = 47 Kcal/kg. Wenn pro Stunde 217 kg verdampft werden müssen, ergibt sich folgende notwendige Gesamtwärne:

217 χ 47 =10.199 Kcal/h.

Die höchstmögliche Wärmemenge, die von dem Motorkühlwasser beigesteuert werden kann, ist die Wärme des Kühlers selbst, wenn

709813/0309

26A1493

wir auf diesen verzichten würden. Wenn wir davon ausgehen, daß diese etwa 2 0% der Wärmemenge beträgt, die der Kraftstoff - in diesem Fall Benzin - erzeugt, erhalten wir folgende Zahlen:

Geschwindigkeit Aus dem_Wasser_entnommene_Energie

4.000 U.p.M. 7.650 χ 0,2 χ 5 χ 10~⁵ χ 4.000 χ 60 = 18.360 Kcal/h 2.000 U.p.M. 7.650 χ 0,2 χ 7,5 χ 10~⁵ χ 2.000 χ 60 =

13.770 Kcal/h

Diese ist in jedem Fall höher als die größte Energiemenge, die für die Erzeugung der höchsten notwendigen Anzahl von Kältekalorien angesetzt werden muß.

Es verdient erwähnt zu werden, daß dieses System auch vorteilhaft in der Industrie oder in Wohnhausanlagen eingesetzt werden kann, sowie in allen denjenigen Fällen, in denen eine mechanische Kühlung aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit und ihrer schnellen Reaktionsmöglichkeit einem Absaugsystem vorzuziehen ist; es wird dabei aber auf eine überschüssige Wärmequelle zurückgegriffen, wie sie bei vielen Verfahren vorzukommen pflegt, so daß die Investitionskosten niedriger als in anderen Fällen liegen. Ebenso können aus der Nutzung der Sonnenstrahlungsenergie wirtschaftliche Vorteile gezogen werden.

Bei der praktischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes können alle möglichen Einzelheiten geändert werden, die das Wesentliche der Erfindung nicht beeinträchtigen, verändern oder verfälschen, es kann also zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Systems jede Art von normalerweise benutzten Vorrichtungen angeschlossen werden, wie etwa Wärmetauscher, Flüssigkeits- oder Dampfabscheider, mehrteilige Verdampfungs- oder Verdichtungseinheiten, wie sie in herkömmlichen Kühlsystemen verwendet werden, und die an die der vorliegenden

709813/03D9

Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung angeschlossen werden können, ohne daß dadurch das Wesentliche derselben verändert werden würde.

709813/0309

Leerse ite

Claims

264H93

Patentansprüche

Luftkühlanlage für Kraftfahrzeuge, gekennzeichnet durch einen von einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors geheizten Wärmetauscher (1), der an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, welcher eine Doppelkonusdüse (5), einen Kondensor (8), ein Expansionsventil (11) und einen Verdampfer (7) enthält, durch die Anordnung der Kühlmittelauslaßöffnung (4) des Wärmetauschers (1) in Strömungsrichtung vor der Doppelkonusdüse, und durch eine zwischen Kondensor (8) und Expansionsventil (11) liegende Abzweigung, die über eine Einspritzvorrichtung (10) mit dem Kühlmitteleinlaß des Wärmetauschers (1) verbunden ist.
2. Luftkühlanlage für Kraftfahrzeuge, gekennzeich net durch einen von einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors geheizten Wärmetauscher (1), der an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, welcher eine Vakuumpumpe, einen Kondensor, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, durch eine in die Kühlmittelauslaßleitung des Wärmetauschers eingeschaltete Turbine (13), die die Vakuumpumpe (14) antreibt, und durch eine zwischen Kondensor (8) und Expansionsventil (11) liegende Abzweigung, die über eine Einspritzvorrichtung (10) mit dem Kühlmitteleinlaß des Wärmetauschers (1) verbunden ist.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitungen der" Vakuumpumpe (14) und der Turbine (13) zusammengeschaltet sind.

709813/0309
4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung von dem aus dem Wärmetauscher (1) austretenden Kühlmitteldruckgas betrieben wird.
5. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennz eichn e t , daß ein einziger Ventilator zum Erzeugen der Luftumströmung des Kondensors (8) und des Verdampfers (7) verwendet ist.
6. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (8) und der Verdampfer (7) jeweils mit einem eigenen Ventilator zusammenwirken.

709813/0309