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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Versorgung eines Klimaaggregates sowie von elektrischen Verbrauchern
in einem Fahrzeug mit Energie, nach der im Oberbegriff von Anspruch
1 näher
definierten Art.
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Aus der gattungsgemäßen
US 4,531,379 ist es bekannt,
dass eine Klimaanlage, und hier insbesondere der den überwiegend
größten Teil
der Energie benötigende
Klimakompressor, über
ein eigenes Versorgungsaggregat mechanisch angetrieben wird. Dieses
Versorgungsaggregat wird im Rahmen der oben genannten US-Schrift
dabei als Hilfsbrennkraftmaschine bezeichnet, welche in einem Fahrzeug
neben dem eigentlichen Antriebsaggregat eingesetzt ist, um den Klimakompressor
anzutreiben. Prinzipiell ist damit auch ein Betrieb der Klimaanlage
möglich, wenn
das eigentliche Antriebsaggregat des Fahrzeuges im Stillstand ist.
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Durch die
DE 198 32 143 A1 ist eine
Weiterbildung beschrieben, bei der ein Kraftfahrzeug mit einem primären Antriebsaggregat
und einem Klimakompressor ausgerüstet
ist, welcher von dem primären
Antriebsaggregat antreibbar ist. Für den Stillstandsfall des primären Antriebsaggregates
ist der Klimakompressor dabei durch ein weiteres Antriebsaggregat
antreibbar.
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In beiden genannten Schriften verwendet das
eigentliche bzw. primäre
Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges sowie das Antriebsaggregat
für den Klimakompressor,
also die Hilfsbrennkraftmaschine oder dergleichen, dieselben Einrichtungen
zur Versorgung mit Energie, denselben Abgasstrang, dieselben Wasserpumpen
und dergleichen.
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Neben dem Vorteil, dass die Klimaanlage auch
während
des Stillstandes des eigentlichen Antriebsaggregates für das Kraftfahrzeug
betrieben werden kann, ist der hier dargestellte Aufbau vergleichsweise
aufwendig, da die in der Art einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine
ausgebildete Hilfsbrennkraftmaschine eine vergleichsweise aufwendige,
komplexe und schwere Peripherie für ihren Betrieb benötigt.
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Das Prinzip eines Stirlingmotors
ist gemäß dem Stand
der Technik allgemein bekannt. Bei einem derartigen Stirlingmotor
wird thermische Energie, welche in Form einer Temperaturdifferenz
zwischen zwei Bereichen des Motors vorliegt, in mechanische Energie
umgewandelt. Beispielhaft sei hierzu die
DE 196 12 616 C2 erwähnt.
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Das Prinzip eines Stirlingmotors
lässt sich dabei
grundlegend sowohl als Motor, als auch bei externem mechanischem
Antrieb als Kältemaschine
reziprok nutzen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Versorgung
eines Klimaaggregates sowie von elektrischen Verbrauchern in einem
Fahrzeug mit Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und
eine einfache und von externen Aggregaten weitgehend autark arbeitende
Vorrichtung bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die
Verwendung einer Stirlingmaschine als zumindest eines der beiden
Aggregate bietet den entscheidenden Vorteil, dass diese an sich bekannte
Stirlingmaschine mit vergleichsweise einfachen Mitteln betrieben
werden kann.
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So weist beispielsweise bei der Verwendung einer
Stirlingmaschine als Versorgungsaggregat diese eine externe, also
außerhalb
der eigentlichen Maschine, angeordnete Verbrennung auf. Diese Verbrennung
kann mit sehr einfachen Mitteln erfolgen, so dass eine derartige
Stirlingmaschine weitaus weniger aufwendig hinsichtlich ihrer Peripherie
ausgebildet werden kann, als eine herkömmliche Brennkraftmaschine.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung ist sowohl das Klimaaggregat als Stirlingkältemaschine
als auch das Antriebsaggregat als Stirlingmotor ausgebildet, wobei
die beiden Stirlingmaschinen zumindest annähernd baugleich sind. Die entsprechenden
Vorteile liegen darin, dass durch die beiden annähernd baugleichen Maschinen
zumindest wesentliche Teile gemeinsam verwendbar sind, so dass diese
Teile durch entsprechend höhere Stückzahlen
sehr günstig
hergestellt werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie
aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer ersten Ausführungsform;
und
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist
ein Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet.
Das Fahrzeug 1 ist dabei mit einem Antriebsaggregat 2 ausgestat tet,
welches in an sich bekannter Weise für den Vortrieb des Fahrzeuges 1 sorgen
kann. Die Darstellung des Fahrzeuges 1 als Personenkraftwagen
ist dabei nur beispielhaft gewählt, es
könnte
sich bei dem Fahrzeug 1 ebenso um andere Kraftfahrzeuge
zu Lande, um Fahrzeuge zu Wasser, wie beispielsweise Schiffe, Yachten
oder dergleichen, handeln. Ebenso ist der Einsatz in Fahrzeugen für die Luft,
insbesondere in Passagierflugzeugen oder dergleichen, denkbar.
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Das Fahrzeug 1 ist neben
dem Antriebsaggregat 2 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 ausgestattet.
Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung 3 dient
zur Versorgung eines Klimaaggregates 4, wie es in 2 dargestellt ist, sowie
von diversen elektrischen Verbrauchern 5 in dem Fahrzeug
mit Energie. Die in 2 dargestellte
Ausführungsform einer
derartigen Vorrichtung 3 umfasst primär eine Klimaanlage 6 für das Fahrzeug 1.
Diese Klimaanlage 6 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut
und besteht im wesentlichen aus dem Klimakompressor 4, welcher
beispielsweise mit üblichen
Kältemitteln,
wie R134a oder CO2, in bekannter Weise betrieben
werden kann. Neben dem eigentlichen Klimakompressor 4 umfasst
eine derartige Klimaanlage 6 weitere Einrichtungen, wie
beispielsweise einen Kreislauf für das
Kältemittel
sowie entsprechende Einrichtungen zur Übertragung der erzeugten Kälte in das
Fahrzeug 1, welche hier durch einen Lüfter 7 prinzipmäßig angedeutet
sind. Ein Motor, insbesondere ein Elektromotor dieses Lüfters 7 stellt
dabei beispielhaft einen der elektrischen Verbraucher 5 dar,
welche von der Vorrichtung 3 zusätzlich mit elektrischer Energie
versorgt werden können.
Die weiteren elektrischen Verbraucher sind hier durch ein punktiert
angedeutetes Bordnetz 8 und einen darin als Lampe angedeuteten Verbraucher 5 beispielhaft
dargestellt.
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Die Versorgung der elektrischen Komponenten
mit Energie erfolgt durch einen elektrischen Energieerzeuger 9,
beispielsweise einen Generator oder eine Lichtmaschine, welcher
auf einer gemeinsamen Welle 10 mit dem Klimakompressor
bzw. Kli maaggregat 4 sitzt. Der Antrieb der gemeinsamen
Welle 10 des Klimaaggregates 4 und des elektrischen
Energieerzeugers 9 erfolgt dabei durch ein Versorgungsaggregat 11.
Durch die gemeinsame Welle 10 ergeben sich entsprechende
Wirkungsgradvorteile gegenüber
herkömmlich
eingesetzten Riemenantrieben, welche durch Schlupf und Reibung immer
Verluste verursachen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dieses Versorgungsaggregat 11 dabei als an sich bekannter
Stirlingmotor bzw. Heißgasmotor
ausgebildet. Ein derartiger Motor erzeugt aus thermischer Energie,
welche hier als Temperaturdifferenz zwischen einem kalten Bereich 11a und
einem heißen
Bereich 11b vorliegt, mechanische Energie. Es reicht dabei
aus, den heißen
Bereich 11b entsprechend zu beheizen und den kalten Bereich 11a ggf.
zu kühlen.
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Für
die Beheizung des als Stirlingmotors ausgebildeten Versorgungsaggregates 11 kann
beispielsweise eine externe Beheizung über einen Brenner, wie er hier
durch die Flamme 12 angedeutet ist, ausreichen. Eine derartige äußere Verbrennung,
z.B. von Treibstoff, welcher für
das Antriebsaggregat 2 des Kraftfahrzeuges ohnehin an Bord
des Fahrzeuges 1 vorhanden ist, kann mit sehr einfachen
Mitteln sehr effektiv realisiert werden. Ein von dem Betrieb des
Antriebsaggregates 2 des Kraftfahrzeuges 1 komplett
unabhängiger
Betrieb des Versorgungsaggregates 11 wird damit möglich, da
nur minimale Peripheriegeräte
benötigt
werden, so dass eine Standklimatisierung des Fahrzeuges 1 problemlos
möglich wird.
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Prinzipiell wäre eine Beheizung des Bereichs 11b mittels
der Flamme 12 und eine Abkühlung des Bereichs 11a,
z.B. Durch Wärmeabgabe
an die Umgebung ausreichend. Üblicherweise
kann diese Wärmeabgabe
durch Kühlrippen
im Bereich 11a verbessert werden. Ein besonders günstiger
und sicherer Betrieb einer derartiger Vorrichtung 3, wie
sie durch das Ausführungsbeispiel
in 2 beschrieben ist,
ist insbesondere dann möglich,
wenn der kalte Bereich 11a des Versorgungsaggregates über einen
Kühlkreislauf 13 seine überschüssige Wärme abgeben kann.
Das in dem in 2 dargestellten
jedoch prinzipiell nur als Option zu sehenden Kühlkreislauf 13 strömende Wärmeträgermedium
kann dabei in an sich bekannter Weise über eine Fördereinrichtung 14 zu
einem Fahrzeugkühler 15 gefördert und
dort abgekühlt
werden. Der Sichere Wärmeabtransport
und damit eine konstant vorhandenerer hoher Temperaturunterschied
zwischen dem Bereich 11a und dem Bereich 11b ist
damit sichergestellt.
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Dazu kann beispielsweise auch ein
weiterer Lüfter 16 eingesetzt
werden. Der Lüfter 16 und
die Fördereinrichtung 14 stellen
dann weitere elektrische Verbraucher 5 dar, welche wiederum
von der elektrischen Energieerzeugungseinrichtung 9 und/oder
einer mit ihr in üblicher
Weise gekoppelten Speichereinrichtung, welche hier nicht dargestellt
ist, üblicherweise
aber Teil des Bordnetzes 8 ist, versorgt werden. Der Kühlkreislauf 13 kann
als eigenständiger Kühlkreislauf
ausgebildet sein, er ist jedoch in besonders günstiger Weise in dem üblicherweise
in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandenen Kühlkreislauf integriert, so
dass weite Strecken der Rohrleitungslängen des Kreislaufes 13 sowie
der Fahrzeugkühler 15 gemeinsam
mit dem Antriebsaggregat 2 des Fahrzeuges 2 genutzt
werden können.
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Durch die direkte mechanische Anbindung des
Klimaaggregates 4 an das Versorgungsaggregat 11 kann
eine sehr effektive Nutzung der vorliegenden Energie erreicht werden,
welche deutliche Vorteile gegenüber
einem elektrisch angetriebenen Klimaaggregat aufweist. Da ein Klimaaggregat 4 üblicherweise
zwischen 3 und 5 kW an Leistung benötigt, wäre hierfür ein relativ aufwendiges elektrisches
Bordnetz, z.B. auf 42 Volt-Basis,
notwendig. Durch den mechanischen Antrieb des Klimaaggregates 4 durch
das Versorgungsaggregat 11 kann darauf verzichtet werden.
Der elektrische Energieerzeuger 9, welcher ebenfalls über die
gemeinsame Welle 10 mit dem Versorgungsaggregat 11 gekoppelt
ist, kann entsprechend einfacher und kleiner ausgelegt werden, er wird
dadurch leichter und billi ger. Ein entsprechend einfacheres Bordnetz,
beispielsweise ein Bordnetz auf 12 Volt-Basis, wie es gegenwärtig üblich ist,
reicht für
eine derartige Vorrichtung 3 dann vollkommen aus.
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In 3 ist
ein vergleichbarer Aufbau der Vorrichtung 3 dargestellt.
Gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
in 2 ist hier jedoch
auch das Klimaaggregat 4 als Stirlingmaschine ausgebildet.
Eine derartige Stirlingmaschine kann bei umgedrehtem Betrieb, also
bei Eintrag von mechanischer Energie, auch entsprechend als Stirlingkältemaschine
verwendet werden, welche in der Klimaanlage 6 praktisch
in vergleichbarer Weise wie ein herkömmlicher Klimakompressor eingesetzt
wird. Durch die Verwendung von zwei Stirlingmaschinen als Aggregate 4 und 11 erschließen sich
zusätzliche
Synergien durch die größeren Stückzahlen
und die Möglichkeit,
Bauteile gemeinsam zu verwenden bzw. gleichartige Bauteile zu nutzen.
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Ein besonders günstiger und sicherer Betrieb
einer derartiger Vorrichtung 3, wie sie durch das Ausführungsbeispiel
in 3 beschrieben ist,
ist insbesondere dann möglich,
wenn der kalte Bereich 11a des Versorgungsaggregates 11 mit
einem heißen
Bereich 4b des Klimaaggregates 4 in thermischer
Verbindung steht. Dies kann beispielsweise durch eine direkte Kopplung über wärmeleitende
Materialien geschehen. Eine Alternative dazu wäre die Kopplung über den
Kühlkreislauf 13,
welcher den heißen
Bereich 4b des Klimaaggregates 4 mit dem kalten
Bereich 11a des Versorgungsaggregates 11 verbindet. Das
in dem Kühlkreislauf 13 strömende Wärmeträgermedium
kann dabei über
die Fördereinrichtung 14 zu
dem Fahrzeugkühler 15 gefördert und
dort abgekühlt
werden. Dazu kann beispielsweise wieder der Lüfter 16 eingesetzt
werden.
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Neben den beiden hier dargestellten
Ausführungsbeispielen
wäre es
selbstverständlich
auch denkbar, einen Rufbau zu realisieren, bei dem das Versorgungsaggregat 11 nicht
als Stirlingmaschine ausgebildet ist, wobei dann lediglich das Kli maaggregat 4 als
Stirlingmaschine ausgebildet wäre.
Entsprechende Vorteile und günstige
Ausbildungen aufgrund der einfachen Bauart einer Stirlingmaschine
ergeben sich analog zu den oben beschriebenen.
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Wie bereits oben erwähnt, ist
die Verwendung der Vorrichtung 3 insbesondere in einem
Fahrzeug zu Lande, zu Wasser oder in der Luft vorgesehen, welches
zu seinem Vortrieb das Antriebsaggregat 2 aufweist und
die Vorrichtung 3 zur Versorgung einer Klimaanlage 6 und
weiterer elektrischer Verbraucher 5, wie beispielsweise
Unterhaltungselektronik, Navigations- und Telekommunikationseinrichtungen
und dergleichen nutzt. Der besondere Vorteil der Vorrichtung 3 liegt
darin, dass diese sowohl die Klimaanlage 6 betreiben, als
auch elektrische Energie für
die weiteren Verbraucher 5 liefern kann, wenn das Antriebsaggregat 2 des
Fahrzeuges 1 nicht betrieben wird. Parallel dazu wäre es jedoch
auch denkbar, die Vorrichtung 3 parallel zum Betrieb des
Antriebsaggregates 2 zu verwenden, so dass dieses Antriebsaggregat 2 durch
die Vorrichtung 3 entsprechend entlastet wird und beispielsweise
kleiner, leichter und günstiger
ausgelegt werden kann. Außerdem
ergeben sich ggf. auch Vorteile hinsichtlich des dynamischen Ansprechverhaltens
des Antriebsaggregates 2, wenn dieses, insbesondere in
Spitzenlastbereichen, von der zusätzlichen Energieerzeugung für elektrische
Verbraucher 5 und Klimaanlage 6 entbunden werden
kann.