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BETÄTIGUNGSANORDNUNG
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Betätigung mechanisch gesteuerter
Bauteile und eine Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die mit einer derartigen
Anordnung versehen ist.
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Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge weisen Ventile oder Klappen auf, durch
die Fluiddurchsätze an verschiedenen Punkten der Anlage eingestellt oder gesteuert
werden. Anordnungen zur Betätigung dieser Ventile oder Klappen umfassen im allgemeinen
eine Vakuumquelle, ein elektrisch betätigtes Spulenventil und ein Vakuum-Stellglied.
Durch das Spulenventil wird das Stellglied selektiv mit Vakuum von der Vakuumquelle
versorgt oder von der Vakuumquelle getrennt. Das Vakuum-Stellglied ist mechanisch
mit dem zu betätigenden Ventil oder der Klappe verbunden. Derartige Betätigungsanordnungen
weisen eine große Anzahl von Bauteilen und einen hohen Raumbedarf auf.
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Die Erfindung ist auf die Schaffung einer kompakten, einfach aufgebauten
Betätigungsanordnung mit einer geringeren Anzahl von Bauteilen gerichtet.
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Erfindungsgemäß ist zur Betätigung des mechanisch gesteuerten Bauteils
ein aktives Element vorgesehen, das sich entsprechend seiner Temperatur verformt.
Die Verformung des aktiven Elements, und damit die Betätigung des Bauteils, erfolgt
durch eine Steuerung der Temperatur des aktiven Elements.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Diagramm eines Teils einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 ist eine teilweise
schematische Seitenansicht eines Wasserhahns und eines Betätigungsmechanismus; Fig.
3 ist eine Ansicht längs des Pfeiles III in Fig. 2; Fig. 4 ist ein Schnitt längs
der Linie IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 ist eine Graphik zur Veranschaulichung der Beziehung
zwischen dem Widerstand und der Temperatur eines Thermowiderstands; Fig. 6 ist ein
Diagramm eines Teils einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines Wasserhahns und eines Betätigungsmechanismus
der Klimaanlage gem. Fig. 6; Fig. 8 ist eine Ansicht längs des Pfeiles VIII in Fig.
7; Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 8;
Fig.
10 ist ein Diagramm eines Teils einer Klimaanlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und Fig. 11 ist ein Diagramm eines Teils einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge
gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß einem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind eine Antriebsmaschine 20 eines Kraftfahrzeugs, ein Wärmetauscher 21 einer Kraftfahrzeugklimaanlage
und ein mechanisch gesteuertes Ventil oder ein Wasserhahn 22 durch eine Kühlmittelleitung
23 in Serie miteinander verbunden, so daß ein geschlossener Kühlmittelkreislauf
gebildet wird.
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Durch den Wasserhahn 22 wird die Kühlmittelleitung 23 wahlweise gesperrt
und geöffnet. Wenn der Wasserhahn 22 die Kühlmittelleitung 23 öffnet, strömt das
Kühlmittel aus der Antriebsmaschine 20 und durchläuft den Wärmetauscher 21, bevor
es wieder in die Antriebsmaschine 20 eintritt. Wenn der Wasserhahn 22 die Kühlmittelleitung
23 sperrt, ist der Kühlmittelfluß durch den Wärmetauscher 21 unterbrochen. Somit
wird der Betrieb des Wärmetauschers 21 durch den Wasserhahn 22 gesteuert.
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Wie in Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist, umfaßt der Wasserhahn 22 ein Gehäuse
24, eine durch das Gehäuse 24 verlaufende und drehbar in diesem abgestützte Welle
25 und ein Ventilglied 26, das in dem Gehäuse 24 angeordnet und auf der Welle 25
montiert ist. Das Gehäuse 24 bildet einen Teil der Kühlmittel-Strömungsbahn. Das
Ventilglied 26 ist zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung
drehbar. Wenn sich das Ventilglied 26 in der geschlossenen Stellung befindet, ist
die Kühlmittel
-Strömungsbahn gesperrt, und wenn sich das Ventilglied
26 in der geöffneten Stellung befindet, ist die Strömungsbahn geöffnet. Ein Arm
oder Hebel 27 ist außerhalb des Gehäuses 24 an einem Ende der Welle 25 montiert.
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Wenn der Hebel 27 geschwenkt wird, so werden die Welle 25 und das
Ventilglied 26 gemeinsam mit dem Hebel gedreht bzw. geschwenkt.
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Gemäß Fig. 1, 2 und 4 sind eine elektrische Spannungsquelle oder Batterie
30, ein Schalter 31, ein temperaturabhängiger Widerstand 32 und ein aktives Element
33 durch eine Leitung 34 in Serie zu einem elektrischen Stromkreis verbunden. Wenn
der Schalter 31 geschlossen ist, fließt infolge des Spannungsabfalls über der Batterie
30 ein elektrischer Strom durch den Stromkreis.
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Wenn der Schalter 31 geöffnet ist, ist der elektrische Strom in dem
Stromkreis unterbrochen.
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Gemäß Fig. 2 und 4 handelt es sich bei dem temperaturabhängigen Widerstand
um eine ringförmige oder zylindrische Schale, die koaxial in einem zylindrischen
Gehäuse 35 angeordnet ist. Der Widerstand 32 wird durch das Gehäuse 35 gehalten.
Sofern das Gehäuse 35 aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus
Metall besteht, ist zwischen dem Widerstand 32 und dem Gehäuse 35 ein isolierendes
Bauteil oder Material eingefügt. Eine Klemme oder ein Ende des Widerstands 32 ist
über eine Leitung 34a, die ein Teil der Leitung 34 ist, elektrisch mit der positiven
Klemme der Batterie 30 verbunden. Der Schalter 31 ist in der elektrischen Verbindung
zwischen dem Widerstand 32 und der Batterie 30 angeordnet.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist, bleibt der Widerstandswert des Widerstands
32 bei Temperaturen unterhalb eines festen Punktes im wesentlichen konstant. Bei
Temperaturen
oberhalb des festen Punktes nimmt der Widerstandswert
des Widerstands 32 mit steigender Temperatur stark zu.
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Bei dem Widerstand 32 handelt es sich vorzugsweise um einen Thermistor
mit positivem Temperaturkoeffizienten.
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Wie am besten in Fig. 2 und 4 zu erkennen ist, umfaßt das aktive Element
33 einen schraubenförmigen Abschnitt 33a und gerade Abschnitte 33b und 33c, die
einstückig mit dem schraubenförmigen Abschnitt ausgebildet sind.
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Der schraubenförmige Abschnitt 33a ist koaxial in dem zylindrischen
Widerstand 32 angeordnet. Der erste gerade Abschnitt 33b schließt sich axial an
ein Ende des schraubenförmigen Abschnitts 33a an und verläuft durch die Mitte einer
kreisförmigen Stirnwand 35a des Gehäuses 35 und wird durch die Stirnwand 35a fest
abgestützt. Sofern die Stirnwand 35a aus einem elektrisch leitendem Material, etwa
aus Metall besteht, ist zwischen dem geraden Abschnitt 33b und der Stirnwand 35a
ein isolierendes Material oder Bauteil eingefügt. Der erste gerade Abschnitt 33b
ist über eine Leitung 34c, die ebenfalls einen Teil der Leitung 34 bildet, elektrisch
mit der negativen Klemme der Batterie 30 verbunden. Der zweite gerade Abschnitt
33c erstreckt sich axial vom anderen Ende des schraubenförmigen Abschnitts 33a,
verläuft durch eine Öffnung in einer gegenüberliegenden Stirnwand 35b des Gehäuses
35 und steht mit dem freien Ende des Hebels 27 in Eingriff. Der zweite gerade Abschnitt
33c ist über einen weiteren Leitungsabschnitt 34b der Leitung 34 elektrisch mit
der anderen Klemme oder dem anderen Ende des zylindrischen Widerstands 32 verbunden.
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Das aktive Element 33 besteht aus einer sogenannten Memorylegierung,
die Formerinnerungseigenschaften aufweist.
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Das aktive Element 33 ist in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen
einer "gespeicherten" ausgedehnten
Stellung und einer zusammengezogenen
Stellung verformbar. Insbesondere der schraubenförmige Abschnitt 33a ist in Abhängigkeit
von der Temperatur spürbaren Ausdehnungs-und Kontraktionsbewegungen unterworfen.
Bei Temperaturen oberhalb eines kritischen Punktes verbleibt das aktive Element
33 in seiner ausgedehnten Stellung. Wenn die Temperatur unter den kritischen Punkt
absinkt, verformt sich das aktive Element 33 aus seiner ausgedehnten Stellung in
Richtung auf seine zusammengezogene Stellung.
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Bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes verbleibt das aktive
Element in der zusammengezogenen Stellung. Wenn die Temperatur wieder über den kritischen
Punkt ansteigt, kehrt das aktive Element 33 in die ausgedehnte Stellung zurück.
Die Verformung des aktiven Elements 33 kann beliebig wiederholt werden.
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Die zyklische Verformung des aktiven Elements 33 schließt eine thermische
Hysterese ein. Es besteht eine Differenz zwischen einer ersten kritischen Temperatur,
bei der das aktive Element in die ausgedehnte Stellung übergeht, und einer zweiten
kritischen Temperatur, bei der das aktive Element sich aus der ausgedehnten Stellung
verformt. Diese thermische Hysterese ist kein wesentliches Merkmal der Erfindung,
und die Differenz zwischen den kritischen Temperaturen hat keine wesentliche Auswirkung
auf die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung. Aus diesem Grund soll zur
Erleichterung des Verständnisses der Erfindung bei der weiteren Beschreibung die
thermische Hysterese nicht weiter beachtet werden.
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Wenn sich das aktive Element 33 in der zusammengezogenen Stellung
befindet, nimmt das Ventilglied 26 des Wasserhahns 22 die geschlossene Stellung
ein. Bei der Verformung des aktiven Elements 33 in die ausgedehnte Stellung wird
der Hebel 27 entgegen der Kraft einer
Rückholfeder 37 um einen
Winkel e geschwenkt, so daß das Ventilglied 26 in die geöffnete Stellung überführt
wird. Die Rückholfeder 37 ist zwischen dem Hebel 27 und dem Gehäuse 24 angeordnet
und spannt den Hebel 27 in einem solchen Drehsinn vor, daß das aktive Element 33
in Richtung auf seine zusammengezogene Stellung belastet wird. Wenn das aktive Element
33 mit Unterstützung durch die Rückholfeder 37 in die zurückgezogene Stellung zurückkehrt,
so wird der Hebel 27 entsprechend der Bewegung des aktiven Elements 33 geschwenkt,
und das Ventilglied 26 wird in die geschlossene Stellung gedreht.
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Solange im Betrieb der Schalter 31 geöffnet ist, fließt kein Strom
durch den Widerstand 32 und durch das aktive Element 33. In diesem Fall liegt die
Temperatur des aktiven Elements 33 unterhalb des kritischen Punktes, so daß das
aktive Element 33 in der zurückgezogenen Stellung verbleibt. Solange das aktive
Element 33 sich in der zurückgezogenen Stellung befindet, wird die Kühlmittelleitung
33 durch den Wasserhahn 22 ständig gesperrt, so daß die Kühlmittelzufuhr zu dem
Wärmetauscher 21 der Klimaanlage unterbrochen ist. Durch die dauernde Unterbrechung
der Kühlmittelzufuhr ist der Wärmetauscher 21 außer Betrieb gesetzt.
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Wenn der Schalter 31 geschlossen wird, fließt ein Strom durch den
Widerstand 32 und das aktive Element 33. Da das aktive Element 33 einen elektrischen
Widerstand aufweist, führt der Strom zu einer Erwärmung des aktiven Elements. Infolgedessen
steigt die Temperatur des aktiven Elements 33 über den kritischen Punkt an, so daß
das aktive Element 33 sich in die ausgedehnte Stellung verformt. Wenn das aktive
Element 33 die ausgedehnte Stellung einnimmt, bewegt sich das Ventilglied 26 des
Wasserhahns 22 in die Öffnungsstellung, so daß die Kühl-
mittelleitung
23 geöffnet wird und der Wärmetauscher 21 der Klimaanlage mit Kühlmittel versorgt
wird. Auf diese Weise wird der Wärmetauscher 21 in Betrieb gesetzt.
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Der Widerstand 32 wird ebenfalls durch den elektrischen Strom erwärmt.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, steigt der Widerstandswert des Widerstands 32 abrupt
an, wenn die Temperatur des Widerstands 32 über den festen Punkt hinaus zunimmt.
Diese Zunahme des Widerstands führt zu einer Verringerung des Stromes und damit
zu einer Abnahme der Temperatur sowohl des Widerstands 32 als auch des aktiven Elements
33. Dies hat zur Folge, daß die Temperatur des aktiven Elements 33 unter den kritischen
Punkt absinkt, so daß das aktive Element 33 in die zusammengezogene Stellung zurückkehrt.
Wenn das aktive Element 33 die zurückgezogene Stellung einnimmt, bewegt sich das
Ventilglied 26 des Wasserhahns 22 in die geschlossene Stellung, so daß die Kühlmittelleitung
23 gesperrt und die Kühlmittelzufuhr zu dem Wärmetauscher 21 der Klimaanlage unterbrochen
wird.
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Wenn die Temperatur des Widerstands 32 abnimmt, nimmt gemäß Fig. 5
auch dessen Widerstandswert ab. Diese Abnahme des Widerstandswertes führt zu einer
erneuten Zunahme des Stromes, so daß die Temperatur des Widerstands 32 und des aktiven
Elements wieder ansteigt. Somit überschreitet die Temperatur des aktiven Elements
33 erneut den kritischen Punkt, so daß das Ventilglied 26 des Wasserhahns 22 wieder
in die geöffnete Stellung überführt wird und der Wärmetauscher 21 der Klimaanlage
mit Kühlmittel versorgt wird.
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Die oben beschriebenen Vorgänge wiederholen sich zyklisch, solange
der Schalter 31 geschlossen bleibt. Folglich oszilliert das Ventilglied 26 des Wasserhahns
22 bei geschlossenem Schalter 31 mit einer festen Frequenz
zwischen
der Öffnungsstellung und der geschlossenen Stellung. Unter dieser Bedingung wird
der Wärmetauscher 21 der Klimaanlage periodisch mit Kühlmittel versorgt, d.h., der
Wärmetauscher 21 wird periodisch in Betrieb gesetzt.
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Der Strom wird durch die Temperatur-Widerstandscharakteristik des
Widerstands 32 auf Werte innerhalb eines Näherungsbereiches begrenzt. Die Charakteristik
des Widerstands 32 wird vorzugsweise derart gewählt, daß sowohl ein übermäßig hoher
Stromfluß durch das aktive Element 33 als auch ein übermäßiger Verbrauch an elektrischer
Energie vermieden wird. Durch die elektrischen Eigenschaften des Widerstands 32
werden die Temperaturen des Widerstands 32 und des aktiven Elements 33 jeweils innerhalb
eines Näherungsbereiches gehalten, solange der Schalter 31 geschlossen ist. Dies
hat den Vorteil, daß die Entstehung von Bränden und ein übermäßiger Verschleiß des
aktiven Elements 33 zuverlässig vermieden werden.
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Wenn der Schalter 31 geöffnet wird, wird der Stromfluß durch den Widerstand
32 und das aktive Element 33 unterbrochen. Hierdurch wird eine Abkühlung des aktiven
Elements 33 ermöglicht, mit der Folge, daß die Temperatur des aktiven Elements 33
unter den kritischen Punkt absinkt und sodann unterhalb dieses Temperaturwertes
verbleibt, so daß das aktive Element 33 dauerhaft in die zurückgezogene Stellung
zurückkehrt. Somit wird das Ventilglied 26 des Wasserhahns 22 in die geschlossene
Stellung überführt und sodann in der geschlossenen Stellung gehalten. Der Wasserhahn
22 sperrt folglich die Kühlmittelleitung 23, so daß der Wärmetauscher 21 der Klimaanlage
abgeschaltet bleibt.
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Das aktive Element 33 kann auch derart ausgelegt sein,
daß
es bei geschlossenem Schalter 31 in der ausgedehnten Stellung verbleibt. Dies wird
dadurch erreicht, daß die Temperatur-Widerstandscharakteristik des Widerstands 32
geändert wird.
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Fig. 6 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel ähnelt dem in Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Änderungen.
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Die Batterie 30, der Schalter 31 und der temperaturabhängige Widerstand
32 sind elektrisch in Serie miteinander verbunden, so daß ein geschlossener Stromkreis
gebildet wird. Das aktive Element 33 ist elektrisch von diesem Stromkreis isoliert.
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Wenn der Schalter 31 geschlossen ist, fließt infolge des Spannungsabfalls
über der Batterie 30 ein Strom durch den Widerstand 32, so daß der Widerstand 32
erwärmt wird. Der Widerstand 32 dient somit als Wärmequelle. Wie bei dem in Fig.
1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Stromfluß durch den Widerstand 32
durch die Temperatur-Widerstandscharakteristik dieses Widerstands begrenzt.
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Wenn der Schalter 31 geöffnet ist, ist die Stromzufuhr zu dem Widerstand
32 unterbrochen, so daß sich der Widerstand 32 abkühlt.
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Das aktive Element 33 und der Widerstand 32 sind in dem gemeinsamen
Gehäuse 35 untergebracht, so daß das aktive Element 33 durch den Widerstand 32 erwärmt
werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist der Widerstand 32 nahe bei dem aktiven Element
33 angeordnet. Der Widerstand 32 weist die Form eines massiven Zylinders auf und
verläuft parallel zu dem aktiven Element 33.
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Wenn der Widerstand 32 das aktive Element 33 aufheizt, verformt sich
das aktive Element in die ausgedehnte Stellung. Wenn sich der Widerstand 32 abkühlt
und somit die Wärmezufuhr zu dem aktiven Element 33 unterbrochen wird, verformt
sich das aktive Element 33 in die zusammengezogene Stellung.
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Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit
Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Anderungen dem in Fig. 1 bis 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel ähnelt.
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Eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge umfaßt eine stromaufwärtige Leitung
50 mit einem inneren Einlaß 51 und einem äußeren Einlaß 52. Der innere Einlaß 51
ist zu dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs geöffnet, während der äußere Einlaß 52
zur Außenseite des Kraftfahrzeugs geöffnet ist. Eine in der Leitung 50 angeordnete
Einlaßklappe 53 ist zwischen ersten und zweiten Positionen schwenkbar.
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Wenn sich die Einlaßklappe 53 in der ersten Stellung befindet, ist
der innere Einlaß 51 gesperrt und der äußere Einlaß 52 geöffnet. Wenn sich die Einlaßklappe
53 in der zweiten Stellung befindet, sperrt sie den äußeren Einlaß 52 und öffnet
den inneren Einlaß 51.
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Durch ein in der Leitung 50 stromabwärts der Einlaßklappe 53 angeordnetes
Gebläse 54 wird Luft durch die Einlässe 51 und 52 angesaugt. Ein Auslaß 55 der Leitung
50 führt zu einer nicht gezeigten Kühleinheit und einer ebenfalls nicht gezeigten
Heizeinheit. Durch das Gebläse 54 wird die Luft über den Auslaß 55 der Kühleinheit
und der Heizeinheit zugeführt.
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Wenn die Einlaßklappe 53 den inneren Einlaß 51 sperrt und den äußeren
Einlaß 52 geöffnet hält, so wird durch
die Leitung 50 Frischluft
von außerhalb des Kraftfahrzeugs eingeleitet. Wenn die Einlaßklappe 53 den inneren
Einlaß 51 offen hält und den äußeren Einlaß 52 blockiert, wird durch die Leitung
50 Luft aus dem Inneren des Fahrzeugs angesaugt und sodann durch die Kühl-und Heizeinheiten
in den Fahrgastraum des Fahrzeugs zurückgeleitet.
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Ein Ende des aktiven Elements 33 steht mit einem freien Ende eines
Hebels 56 in Eingriff, der auf einer Gelenkachse der Einlaßklappe 53 montiert ist.
Wenn sich das aktive Element 33 zwischen der zusammengezogenen und der ausgedehnten
Stellung verformt, bewegt sich die Einlaßklappe 53 zwischen ihrer ersten und zweiten
Stellung.
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Fig. 11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit
Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Änderungen dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 bis 5 ähnelt.
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Eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs umfaßt eine stromabwärtige Leitung
60 mit einem Einlaß 61 und mit Auslässen 62 und 63. In der Leitung 60 ist ein Heizkern
oder Wärmetauscher 64 angeordnet. Eine in der Leitung 60 angeordnete Luft-Mischklappe
65 ist zwischen ersten und zweiten Stellungen schwenkbar. Wenn sich die Mischklappe
65 in ihrer ersten Stellung befindet, so versperrt sie die Einlaßseite des Wärmetauschers
64 und gibt einen Kanal 66 frei, der den Wärmetauscher 64 umgeht. In diesem Fall
umgeht im wesentlichen die gesamte Luft, die über den Einlaß 61 in die Leitung 60
eintritt, den Wärmetauscher 64 und wird über die Auslässe 62 und 63 abgegeben, so
daß der Wärmetauscher 64 die Temperatur der Luft nicht beeinflußt.Wenn sich die
Mischklappe 65 in ihrer zweiten Stellung befindet, gibt sie die Einlaß-
seite
des Wärmetauscher 64 frei und sperrt den Bypass-Kanal 66. In diesem Fall strömt
im wesentlichen die gesamte Luft durch den Wärmetauscher 64, so daß der Wärmetauscher
64 einen maximalen Einfluß auf die Temperatur der abgegebenen Luft hat. Durch die
Mischklappe 65 werden somit die Anteile der Luft, die durch den Wärmetauscher 64
strömen oder diesen umgehen, einstellbar gesteuert.
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Ein Ende des aktiven Elements 33 steht mit einem freien Ende eines
Hebels 67 in Eingriff, der an einer Gelenkachse der Mischklappe 65 montiert ist.
Wenn sich das aktive Element 33 zwischen seiner zusammengezogenen und seiner ausgedehnten
Stellung verformt, bewegt sich die Mischklappe 65 zwischen ihrer ersten und zweiten
Stellung.
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