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System zum Temperieren eines Fahrgastraumes eines
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Kraftfahrzeuges Die Erfindung betrifft ein System zum Temperieren
eines Fahrgast- oder Nutzraumes eines brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeuges nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei vollklimatisierten Fahrzeugen mit einer Möglichkeit zum Aufheizen
und zum Kühlen des Fahrgastraumes oberhalb bzw. unterhalb der Umgebungstemperatur
sind bisher zwei voneinander völlig getrennte Wärmetauschersysteme benutzt worden.
Dieses hat nicht nur Raumprobleme für die Unterbringung der entsprechenden Wärmetauscher
mit sich gebracht; darüber hinaus stellt der erhöhte Aufwand für Wärmetauscher auch
zusätzliches passives Fahrzeuggewicht dar, welches möglichst gering gehalten werden
soll. Außerdem ist ein hoher Aufwand erforderlich, um eine konstante von der Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeuges und/oder der Drehzahl des Antriebsmotors unabhingige Temperatur zu
erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand für Wärmetauscher in einem
System zur Temperierung eines Fahrzeuges zu reduzieren, um dadurch Kosten, Platz
und Fahrzeuggewicht zu sparen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
vnn Anspruch 1 gelöst. Dank der gemeinsamen Verwendung des Raumwärmetauschers sowohl
für Heiz- als auch für Kühl zwecke braucht lediglich ein einziger Raumwärmetauscher
vorgesehen zu werden. Hierdurch können Kosten, Platz und Gewicht eingespart werden.
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m das bei der doppelten Verwendung des Raumwärmetauschers zum fleizen
und zum Kühlen erforderliche weite Temperaturspektrum überbrücken zu können und
um die Temperatursteuerung zu vereinfachen, ist in Ausgestaltung der Erfindung der
Raumwärmetauscher gemäß den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 2 ausgestattet.
Die darin erwähnten Wärmerohre sind an sich bekannt. Hierunter soll ein evakuierter
hermetisch dicht verschlossener Hohlraum vorzugsweise in Rohrform verstanden sein,
der mit einem verdampfbaren und kondensierbaren Wärmeträgermedium zu einem Bruchteil
gefüllt ist. Die Auswahl des Wärmeträgermediums richtet sich nach dem Temperaturniveau,
bei dem Wärme übertragen werden soll. Das Wärmerohr ist im Innern teilweise mit
einer Kapillarstruktur zum Rücktransport des kondensierten Wärmeträgermediums versehen;
dies kann z. B. in Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch
eine Rillenstruktur der inneren Rohroberfläche geschehen. Als Füllung für die Wärmerohre
sind für die vorliegenden Zwecke beispielsweise Ammoniak, Wasser
oder
ein Gemisch aus Alkohol und Wasser geeignet. An der heissen Stelle des Wärmerohres,
an der Wärmeenergie zugeführt wird, verdampft das eingegebene Medium und breitet
sich rasch im Innern des Wärmerohres aus. An wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres
schlägt sich das verdampfte Medium nieder und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme
an die Wandung des Wärmerohres.
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Das Kondensat kriecht durch Kapillarwirkung zu den Wärmezufuhrstellen
des Wärmerohres zurück. Die an der Kondensatseite vom Medium an die Wandung des
Wärmerohres abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Strahlung oder durch
Konvektion oder durch Wärmeleitung abgeführt. Durch Aufprägung eines bestimmten
Druckes auf das Innere des Wärmerohres ist dafür gesorgt, daß die Wärmeübertragung
bis zu einer ganz bestimmten Temperatur stattfindet. Bei drohender Überhitzung des
Systems sorgt der Ausdehnungsbalg für Druckausgleich. Oberhitzung kann auftreten,
wenn mehr Wärme zugeführt als abgeführt wird, d. h.
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wenn nur noch ein Teil des verdampften Wärmeübertragungsmediums an
der kalten Stelle kondensiert. Nun kondensiert der über schüssige Dampf im kalten
Ausdehnungsbalg. Da dieser mit dem Wärmerohr nicht durch eine Kapillarstruktur verbunden
ist, ist somit dem Wärmerohr Wärmeübertragungsmedium entzogen, so daß die übertragene
Leistung wieder der entnommenen Leistung entspricht. Wird die entnommene Leistung
wieder erhöht, sinkt der Druck. Der Balg zieht sich zusammen. Wegen des niedrigeren
Druckes dampft Flüssigkeit aus dem Balg aus und wird dem Wärmekreislauf wieder zugeführt,
so daß wieder mehr Leistung übertragen werden kann. Durch Steuerung des Oberdruckes
des Balges kann das Druckniveau und somit auch das Temperaturniveau des Obertragungssystems
beeinflußt werden. Durch Einsteuerung eines hohen Druckes kann ein hohes Druckniveau
für die Wärmeübertragung hergestellt werden; eine solche
Einstellung
wird man bei leizzwecken wählen. Durch Einsteuern eines niedrigen Druckes findet
die Wärmeübertragung bei einem niedrigen Temperaturniveau statt; diese Einstellung
wird zu Kühlzwecken gewählt.
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Die Erfindung ist anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen: Fig. 1 ein Fahrzeug in Teildarstellung
mit einem Temperiersystem nach der Erfindung, Fig. 2 die schematische Darstellung
des Temperiersystems nach Fig. 1 mit thermischer Ankopplung der lleiz- bzw. Kühlwärmetauscher
über Wärmerohre an den Raumwärmetauscher u n d Fig. 3 eine Abwandlung des Temperiersystems
mit unmittelbarer Ankopplung der Heiz- und K0hlwärmetauscher an den Raumwärmetauscher
zu einer räumlich kompakten Einheit.
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Das in Fig. 1 dargestellte Fahrzeug weist einen Fahrgastraum 1 auf,
der wahlweise durch die Abwärme der Brennkraftmaschine 2 aufgeheizt oder durch ein
aus Kältemittelverdichter 6, Kondensator 7 und Verdampfer 8 bzw. 8a bestehendes
Kälteaggregat unter Umgebungstemperatur gekühlt werden soll. Der K0hlwasserkreislauf
zur Abfuhr der Wärme der Brennkraftmaschine enthält die Kühlwasserpumpe 4, den Kühler
3 und einen Ileizwärmetauscher 5 bzw. Sa.
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In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind sowohl der Heizwärmetauscher
5 als auch der als Kühlwärmetauscher 8 bezeichnete Verdampfer über Wärmerohre 11
bzw. 11a mit einem Raumwärmetauscher 9 verbunden, die gemeinsam ein einheitliches
Wärmerohrsystem bilden, welchem Raumwärmetauscher wahlweise Heizenergie oder Kühlenergie
zugeführt werden kann. Zur konvektiven Abfuhr der Temperierungsenergie des Raumwärmetauschers
ist dieser mit einem Gebläse 1o gekoppelt, das Luft wenyptens teilweise über den
Frischlufteinlaß 15 ansaugen kann.
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Mit der Lüftungsklappe 16 kann das Verhältnis von Umlauf- zu frischer
Zuluft eingestellt werden. Die weitere Lüftungsklappe 17 erlaubt eine Einstellung
zur Entfrostung der Windschutzscheibe bzw. zur Aufheizung des Fußraumes.
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Vor dem Heizwärmetauscher 5 bzw. Sa ist noch zur Zu- bzw. Abschaltung
dieses Wärmetauschers ein Kühlwasserventil 18 vorgesehen. Mit diesem Ventil kann
die Heizleistung zu- bzw. abgeschaltet werden. Im Antrieb des Kältemittelverdichters
6 befindet sich eine Kupplung 20, mittels der der Verdichter mechanisch zu- bzw.
abgeschaltet werden kann, wodurch die Kühlleistung ein- bzw. abgeschaltet wird.
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Der Raumwärmetauscher 9 ist ebenfalls nach Art eines Wärmerohres ausgebildet
und sein Inneres ist hermetisch dicht mit dem Inneren der Warmerohre 11 bzw. 11a
verbunden. Zur Einsteuerung eines bestinten Druck- bzw. Temperaturniveaus auf das
Temperierungssystem ist der Wärmetauscher 9 bzw. 9a (Fig. 3) über eine Verbindungsleitung
22 mit einem Ausdehnungsbalg 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 22 ist nicht nach
Art eines Wärmerohres, sondern lediglich zum Transport von verdampftem Medium innerhalb
des Systems ausgebildet. Die Verbindungsleitung
22 selber kann
nach außen hin wärmeisoliert sein. Der Ausdehnungsbalg 12 ist im Innern einer druckfesten
Kapselung 13 angeordnet, die mit einer Druckflüssigkeit gefüllt ist. Die Kapselung
ist an eine Druckeinstellung 14 mit einem federbelasteten Kolben angeschlossen,
dessen Federvorspannung mittels einer Handschraube beliebig einstellbar ist. Dadurch
kann dem Ausdehnungsbalg 12 und somit dem Innern des Wärmerohrsystems ein bestimmter
Druck und mithin ein bestimmtes Temperaturniveau überlagert werden.
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Zum Aufheizen des Fahrgastraumes 1 oberhalb Umgebungstemperatur ist
die Kupplung für den Kältemittelverdichter 6 geöffnet.
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Das Ventil 18 im Kühlwasserkreislauf ist hingegen offen und der Heizwärmetauscher
5 wird durch zirkuliertes Motorkühlwasser beheizt. Mittels der Druckeinstellung
13, 14 ist über den Ausdehnungsbalg 12 in dem Wärmerohrsystem ein relativ hoher
Druck eingestellt. In dem innerhalb des Heizwärmetauschers befindlichen Abschnitt
des Wärmerohres 11 verdampft das Wärmeübertragungsmedium zu einem entsprechend der
Druckeinstellung relativ heißen Sattdampf, der sich im Innern des Wärmerohres zu
dem Raumwärmetauscher 9 ausbreitet. Das Rohrbündel des Raumwärmetauschers ist kälter
als die Verdampfungsstelle, der Sattdampf schlägt sich an diesen Stellen nieder
und kondensiert unter Abgabe der Verdampfungswärme. Diese Wärme wird zunächst an
die Rohrwandungen und von dort auf konvektive Weise auf die umgewälffe Raumluft
bzw. Frischluft abgegeben. Beim Ausfühführungsbeispiel
nach Fig.
2 ist im Verlauf des Wärmerohres-11 noch ein Wärmespeicher 21 vorgesehen, der als
LatentwSrmespeicher ausgebildet sein kann. Er wird vorzugsweise durch die Abgaswärme
beheizt, die zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach dem Motorstart zur Verfügung steht.
Dadurch können gewisse Aufheizbedingungen zum raschen Abtauen einer vereisten Windschutzscheibe
erfüllt werden. Der Speicher 21 kann auch zur Oberbrückung von Heizleistungsschwankungen
dienen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Wärmekapazität des Heizwärmetauschers
5 nur gering ist.
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Bei Einstellung des Temperiersystems zu Kühlzwecken ist das Kühlwasserventil
18 geschlossen und der Kältemittelverdichter antriebsmässig an die Brennkraftmaschine
angekoppelt. An der Druckeinstellung 13, 14 ist ein niedriger Druck eingestellt,
so daß die Kondensierungstemperatur des im Innern des Wärmerohrsystems befindlichen
Mediums unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Das in dem Kreislauf des Kälteaggregates
zirkulierte Kältemittel verdampft in dem Kühlwärmetauscher 8 bzw. 8a und entzieht
den umgebenden Flächen die Verdampfungswärme; diese kühlen sich dabei stark ab.
Dadurch kommt es im Innern des Wärmerohres 11a zu einer Kondensierung des eingeschlossenen
Obertragungsmediums. Durch Kapillarwirkung gelangt das Kondensat zu dem Raumwärmetauscher
9a zurück, welches darin wieder verdampft wird. Die erforderliche Verdampfungswärme
entzieht es der konvektiv durch den Wärmetauscher hindurchgeleiteten Umgebungsluft
und kühlt diese dabei ab. Die Heiz-Seite 11, 5 des Temperierungssystems ist bei
der Einstellung auf Raumkühlung wirkungslos; es stagniert in diesem Leitungsteil
des
Wärmerohrsystems lediglich ein gewisser Anteil des Obertragungsmediums ohne Zustandsänderung.
In gleicher Weise ist bei Einstellung auf "heizen" der Kühlzweig 1la, 8 wirkungslos.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist grundsätzlich ebenso aufgebaut
wie das nach den Fig. 1 und 2. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel
sind hier jedoch die Heiz- und die Kühlwärmetauscher 5a bzw. 8a nicht über Wärmerohre
sondern unmittelbar durch metallische Wärmeleitung an den Raumwärmetauscher 9a angekoppelt,
der seinerseits selber nach Art von Wärmerohren ausgebildet ist und über eine Verbindungsleitung
22 an den Ausdehnungsbalg 12 angekoppelt ist. Die Wärmetauscher 5a, 9a, 8a bilden
eine räumlich kompakte Einheit mit geringem Platzbedarf. Die Wirkungsweise dieses
Ausführungsbeispieles ist die gleiche wie zuvor geschildert. Lediglich die Ausbreitungsstrecken
bzw. Fließstrecken für das verdampfte bzw. kondensierte Obertragungsmedium sind
hier kürzer als beim anderen Ausführungsbeispiel.
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Neben den Betriebszuständen "Heizen" bzw. "Kühlen" ist noch ein weiterer
Betriebszustand "Lüften" denkbar, bei dem weder geheizt noch gekühlt wird. Bei dieser
Einstellung ist sowohl der Kältemittelverdichter 6 abgekuppelt als auch das Ventil
18 zur Versorgung des Heizwärmetauschers 5 geschlossen. Es sind dann beide Teilstücke
11 und 11a des Wärmerohrsystems und mit ihnen auch der. Raumwärmetauscher 9 wirkungslos
und ein kleiner Rest an Wärmeübertragungsmedium stagniert ohne Zustandsänderungen
darin. Der größte Teil des Obertragungsmediums ist über die Leitung 22 in den Ausdehnungsbalg
12 geströmt und ist
dort kondensiert. Ober die Einrichtung 14 ist
ein niedriger Druck in dem Wärmerohrsystem eingestellt, so daß möglichst viel von
dem Obertragungsmedium in dem Ausdehnungsbalg kondensieren kann. Es sei der Vollständigkeit
halber noch angemerkt, daß dem Wärmerohrsystem über einen axialbeweglichen Ausdehnungsbalg
auch ein bestimmter Druck dadurch aufgeprägt werden kann, daß auf die bewegliche
Stirnseite des Ausdehnungsbalges eine Feder mit einstellbarer Vorspannung einwirkt.
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In noch einfacherer Weise könnte direkt die Ausdehnungslänge des Ausdehnungsbalges
12 durch einen veränderbaren Anschlag mechanisch begrenzt werden.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Ileizwärmetauscher
5 bzw. Sa durch Kühlwasser beheizt. Die Beaufschlagung dieses Wärmetauschers mit
Heizenergie ist durch das Ventil 18 steuerbar. Es ist auch denkbar, daß der lleizwärmetauscher
5 durch Abgase der Brennkraftmaschine 2 beheizt wird.
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Bei Abgasbeheizung der warmen Stelle des Wärmerohres 11 läßt sich
die Zufuhr von Heizenergie nur mit vermehrtem Aufwand zu- und abschalten. Dank des
steuerbaren Ausdehnungsbalges 12 an dem Wärmerohrsystem 11, 9, 11a läßt sich jedoch
ohne Umleitung der Abgase bei ständiger Beaufschlagung der heißen Stelle mit heißen
Abgasen die Heizwirkung des Systems wirkungslos machen, und zwar dadurch, daß der
Ausdehnuqpbalg entlastet wird und dadurch ein geringer Druck im Wärmerohrsystem
eingestellt wird. Dadurch kondensiert das gesamte eingeschlossene Obertragungsmedium
in dem Ausdehnungsbalg, weil er die kälteste Stelle in dem gesamten System darstellt
und weil über die Verbindungsleitung 22 Kondensat nicht in das System zurückfließen
kann. In dem von Obertragungsmedium entleerten gewissermaßen
völlig
evakuierten Zustand des Wärmerohrsystems kann eine Wärmeübertragung von einer zu
einer anderen Stelle nicht erfolgen.
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Beim Uebergang von "Ni cht-lleizen" zu "lleizen" braucht lediglich
an dem Ausdehnungsbalg 12 ein höherer Druck eingestellt zu werden, so daß aufgrund
des erhöhten Druckes kondensiertes Medium in den verdampften Zustand übergeht und
durch die Leitung 22 in das Wärmerohrsystem gelangen kann. Dadurch ist wieder ein
Wärmetransport zwischen zwei verschiedenen Stellen des Wärmerohrsystems möglich.
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Neben der Funktion einer Temperatureinstellung bzw. Temperaturstabilisierung
hat der einstellare Ausdehnungsbalg auch noch die Funktion bzw. den Vorteil eines
Oberhitzungsschutzes, was bereits oben näher erörtert worden ist.