DE3317205A1 - Vorrichtung zur vorwaermung von kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Vorwärmung von Kraftfahrzeugen
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorwärmung von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Enteisung der Fensterscheiben von nicht-betriebswarmen Kraftfahrzeugen mittels eines Energiespeichers, der zumindest den durch den Wärmetauscher der Innenraumheizung zirkulierenden Teil des Kühlwassers aufheizt.
• In der kalten Jahreszeit ist der Autofahrer beim morgendlichen Start einer Reihe von Unannehmlichkeiten und einem erhöhten Sicherheitsrisiko ausgesetzt. Bei Laternenparkern sind die Scheiben außen vereist oder verschneit. Sie müssen freigekratzt werden, vereisen aber oft nach kurzer Zeit von neuem. Außerdem beschlägt oder vereist auch die Innenseite der Scheiben aufgrund der ausgeatmeten Feuchtigkeit. Die normale Fahrzeugbeheizung wird erst nach einer Warmfahr-Phase wirksam, d. h. erst nach einer Fahrstrecke von etwa 4 km. Erst danach wird die Fahrzeugheizung voll wirksam.
• Für eine sofort wirksame Beheizung sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden. So ist es bekannt, das Kühlwasser über eine Motor-Einbauheizung vorzuwärmen, die beispielsweise über eine Zeitschaltuhr rechtzeitig vor Fahrtbeginn automatisch in Betrieb genommen wird.
• Bei elektrisch betriebener Motor-Einbauheizung bedarf es jedoch eines Netzanschlusses am jeweiligen Abstellort des Fahrzeuges, da der Energieverbrauch für die Fahrzeugbatterie zu groß ist. Außerdem fallen beträchtliche Stromkosten an. Wird die Heizung durch Kraftstoffverbrennung vorgenommen, ergeben sich ebenfalls erhebliche Kosten und außerdem stellen die Abgase eine Umweltbelastung dar.
• Des weiteren ist es durch die DE-OS 29 26 455 bekannt, Warmluft durch einen von der Batterie gespeisten Widerstandsheizer zu erzeugen. Dieses Prinzip ist aber für eine wirksame Enteisung ungeeignet, da der elektrische Leistungsbedarf durch die Batterie kaum gedeckt werden kann und insbesondere im Kurzstreckenbetrieb zu einer raschen Entladung der Batterie führen würde.
• Schließlich ist es durch die DE-OS 29 21 451, von der der Oberbegriff des Patentanspruches 1 abgeleitet ist, bekannt, die Vorwärmung mittels eines Hydrid-Speichers durchzuführen. Dabei dient die in den Abgasen des Verbrennungsmotors enthaltene Abwärme als Energielieferant.
• Die Wärme wird dazu benutzt, um Wasserstoff aus einem Hochtemperaturhydrid-Speicher in einen Niedertemperaturhydrid-Speicher überzuführen. Beim Rücktransport des Wasserstoffes wird im Hochtemperatur-Speicher chemische Bindungswäre frei, die zum Vorwärmen des Kraftfahrzeuges benutzt wird. Dieses Prinzip wurde bisher in der Praxis aufgrund der technischen Probleme und des hohen Aufwandes noch nicht realisiert. Neben einem zusätzlichen Abgaswärmetauscher sind zwei Hydrid-Speicher notwendig, wobei insbesondere der Hochtemperaturhydrid-Speicher vom Sicherheitsstandpunkt problematisch ist.
• Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorwärmung zur Scheibenenteisung zu entwickeln, die zur Überbrückung der Warmfahr-Phase des Fahrzeuges dient und folgende Bedingungen erfüllt: - sofort wirksam - ohne Betriebskosten für Energie - umweltfreundlich - niedriges Gewicht - unabhängig (von Steckdosenbetrieb) - kostengünstig - sicher (zO B. bei Unfällen) - für alle Fahrzeuge unabhängig vom verwendeten Kraftstoff geeignet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 stehenden Merkmale gelöst. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion besteht in dem geringen apparativen Aufwand: Der als Latentenergie-Speicher ausgebildete Speicher braucht lediglich an geeigneter Stelle in den Kühlwasserkreislauf integriert zu werden, so daß das Kühlwasser sowohl als Wärmequelle wie auch als Wärmesenke fungiert. Der Wärmeaustausch ist also in beiden Richtungen möglich, ohne daß es eines zweiten Wärmetauschers bedarf, der insbesondere bei Verwendung der Abgaswärme hohen Korrosionsbelastungen ausgesetzt und daher sehr aufwendig wäre.
• Der Latentenergle-Speicher wird während des Fahrzeugbetriebes automatisch durch das Kühlwasser mit Wärme aufgeladen. Zum Entfrosten kehrt sich der Wärmefluß um, indem der Speicher seine Wärme an das Kühlwasser abgibt.
• Das aufgewärmte Kühlwasser gibt dann in an sich bekannter Weise seine Wärme in dem vorhandenen Luft-Kühlwasserwärmetauscher der Fahrzeugheizung an die Luft ab, die mit einem elektrischen Gebläse an die Scheiben herangeführt wird. Da der Schmelzpunkt des Speichermediums zwischen 35 und 700C liegt, ist die Isolierung des Speichers gegenüber der Umgebung problemlos durchzuführen und es steht ein ausreichendes Temperaturgefälle gegenüber dem kalten Kühlwasser zur Verfügung.
• Zweckmäßig ist der Speicher im Kühlwasserzulauf nahe vor dem Ileizungswärmetaus cher eingebaut, um die Wärmetransportwege kurz zu halten. Zur Verhinderung der Selbstentladung bietet es sich an, den Speicher Im höchsten Punkt des Kühlwasserkreislaufes zu positionieren oder ihn in einem durch Ventile absperrbaren Bypass des Kühlwasserkreislaufes anzuordnen.
• Die Auswahl des Phasenwechselmaterials erfolgt nach folgenden Kriterien: - hohe Speicherkapazität bei niedrigem Gewicht - Temperaturbeständigkeit im Bereich von 200C bis + 1300C - Langzeitbeständigkeit bei vielfachem Phasenwechsel - reproduzierbares Schmelz- und Erstarrungsverhalten - nicht korrosiv in Kombination mit Aluminiumlegierungen - Aufladung bei Kühlwassertemperaturen ab 600C bis 800C - Entladung bei Kühlwassertemperaturen unter 200C bis 600C.
• Besonders geeignet sind folgende Stoffe: Stoff Schmelzpunkt oc Schmelzwärme KJ/Kg Zg(N03)2*6H20 36 147 Paraffin (Typ 5838) 49 189 Myristinsäure 58 198 Palmitinsäure 63 187 Stearinsäure 70 199 Eine Unterkühlung der Schmelze ist durchaus zulässig und sogar wünschenswert, sofern sichergestellt ist, daß bei tiefen Kühlwassertemperaturen die Kristallisation zuverlässig und schnell eintritt. Dadurch bleibt bei den unvermeidlichen Isolationswärmeverlusten die volle latente Speicherkapazität erhalten. Zn(NO3)#6H2O mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher Unterkühlung eignet sich besonders für Fahrzeuge mit langen Standzeiten und kurzen Fahrstrecken, Palmitinsäure und Stearinsäure für Fahrzeuge, bei denen zwischen den Standzeiten längere Fahrstrecken liegen. Paraitkn- und Myristinsäure stellen einen guten Kompromiß für gemischten Fahrbetrieb dar.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung; dabei zeigt: Fig. 1 einen Latentwärme-Speicher im Schnitt und Fig. 2 zwei Schaltungsmöglichkeiten eines solchen Latentwärme-Speichers.
• Der Latentwärme-Speicher 1 besteht aus einem allseits von einer hochwirksamen Wärmedämmung 2, beispielsweise Polyurethanschaum, umgebenen dichten Gehäuse 3. Im Inneren befindet sich ein beripptes Rohrbündel 4, dessen Wasserzulauf 5 und Wasserablauf 6 über an beiden Enden angeordnete Sammelrohre 7, 8 erfolgt. Der Behälter 3 wird so weit mit Speichermaterial gefüllt, daß eventuelle thermische Volumenänderungen beim Phasenwechsel zu keiner unzulässig hohen Beanspruchung führen. Der Behälter 3 kann zylindrisch oder auch rechteckig aufgebaut sein, so daß übliche Standardteile aus dem Wärmetauscherbau bei Kraftfahrzeugen verwendet werden können.
• In Abweichung zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Speicher auch so aufgebaut sein, daß sich das Speichermaterial in einzelnen Speicherelementen, vorzugsweise Kugeln oder an den Enden verschlossenen Rohrstücken befindet, die dann von dem Kühlwasser umströmt werden.
• Fig. 2 zeigt zwei Möglichkeiten für die hydraulische Schaltung des Speichers.
• Bei dem oberen Ausführungsbeispiel a) ist der Speicher 1 im Zulauf 9 zum Heizungswärmetauscher 10 angeordnet. Durch das Ventil 11 wird der Durchfluß durch den Heizungswärmetauscher 10 und damit die Heizleistung in an sich bekannter Weise eingestellt. Die den Heizungswärmetauscher 10 überbrückende Umgehungsleitung 12 stellt sicher, daß der Latentwärme-Speicher 1 auch bei geschlossener Heizung durchströmt und damit aufgeladen wird.
• Beim Entladevorgang des Speichers strömt das kalte Kühlwasser durch den Speicher, wird dort aufgewärmt und gibt diese Wärme im Heizungswärmetauscher 10 an die kalte Luft, die von einem elektrischen Gebläse 13 gefördert wird, ab. Das erwärmte Kühlwasser strömt in den Motorkreislauf zurück. Dadurch ergibt sich je nach Kapazität des Speichers zugleich noch eine gewisse Motorvorwärmung.
• Bei dem unteren Ausführungsbeispiesl gemäß Schaltung b) kann das vom Wärmespeicher 1 kommende Kühlwasser nach dem Durchstömen des Heizungswärmetauschers 10 im kurzen Kreislauf, also ohne Durchströmung des Motorblockes, wieder unmittelbar vor dem Wärmespeicher 1 zurückgespeist werden, und zwar mittels einer elektrisch betriebenen Kühlwasserpumpe 14. Dadurch funktioniert die Zusatzheizung über den Latentwärme-Speicher auch bei stehendem Motor. Die Verbindung zum Motorkühlkreislauf kann durch ein Ventil 15, das am Zufluß 9 oder am Abfluß 16 angeordnet ist, unterbrochen werden.
• Nimmt man für ein konkretes Ausführungsbeispiel an, daß der Speicher mit Myristinsäure als Phasenwechselmaterial fünf Minuten (300 Sekunden) eine Heizung von 1 KW liefern soll, so ergibt sich die zu speichernde Energiemenge zu 300 s ~1000 W = 300 KJ.
• Für diese Energiemenge in Form von latenter Wärme beträgt die erforderliche Menge an Myristinsäure 300 KJ/198 KJ/Kg ~ 1,5 Kg.
• Da die Kühlwassertemperatur höher als die Phasenumwandlungstemperatur der Myristinsäure liegt, ergibt sich automatisch auch eine Speicherung an fühlbarer Wärme. Diese fühlbare Wärme wurde im Berechnungsbeispiel nicht berücksichtigt. Sie kann näherungsweise die Wärmeverluste des Speichers bei Fahrzeugstillstand ausgleichen.
• Zusammenfassend bietet die Erfindung den Vorteil, daß man mit geringem konstruktivem Aufwand eine sofort wirksame Fahrzeugvorwärmung erhält, die eine zuverlässige Scheibenenteisung ermöglicht. Bei nicht vereisten Scheiben bietet der Energiespeicher den Vorteil, daß auch bei betriebskaltem Motor der Innenraum sofort beheizt werden kann und daß sich die Warmfahr-Phase des Motors verkürzt.
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Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Vorwärmung von Kraftfahrzeugen, inseso ndere zur Enteisung der Fensterscheiben von nichtbetriebswarmen Kraftfahrzeugen mittels eines Energiespeichers, der zumindest den durch den Wärmetauscher der Innenraumheizung zirkulierenden Teil des Kühlwassers aufheizt, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Speicher (1) in Wärmetausch stehende Kühlwasser-Kreislauf zugleich auch als Wärmelieferant fungiert, daß der als Latentenergie-Speicher (1) ausgebildete Speicher ein Speichermedium mit einem Schmelz-0 0 punkt zwischen 35 C und 70 C enthält und daß er zur Hemmung seiner Selbstentladung in konvektionshemmender Anordnung in den Kühlwasser-Kreislauf eingebaut ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) im Kühlwasser-Zulauf nahe vor dem Heizungswärmetauscher (10) eingebaut ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) im höchsten Punkt des Kühlwasser-Kreislaufes angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) in einem durch Ventile absperrbaren Bypass des Kühlwasser-Kreislaufes angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium Myristinsäure ist.