Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu Beheizung eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.

Es ist das Bestreben im modernen Fahrzeugbau, Wärme möglichst effizient und kostengünstig an die Stellen im Fahrzeug zu transportieren, wo sie benötigt wird. So ist gerade in der kalten Jahreszeit ein schnelles Aufheizen des Fahrgastinnenraumes erwünscht, um ein komfortables Fahrgefühl zu ermöglichen. Auch eine Fahrzeugbatterie oder OIreservoirs sollen wohltemperiert sein um ein optimales Arbeitsverhalten zu ermöglichen.

Es ist aus der Stand der Technik bekannt, ein Arbeitsmedium zu erwärmen und an den Zielort zu transportieren, wo Wärme beim Abkühlen des Arbeitsmediums wieder frei wird und zum Beheizen des Fahrgastinnenraumes oder einer Fahrzeugkomponente genutzt werden kann. Hierbei kann beispielsweise die Abgaswärme genutzt werden. Gerade bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist aber auch die Abgastemperatur bei Beginn der Fahrt zunächst sehr gering, so dass eine entsprechende Heizvorrichtung parallel dazu ein träges Ansprechverhalten aufweist. Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss zum Erwärmen des Arbeitsmediums grundsätzlich auf einen elektrischen Heizer ggf. auch in Kombination mit einer Wärmepumpe zurückgegriffen werden.

Die EP 2 407 328 A1 offenbart eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei der in einem Heizkreislauf ein flüssiges Arbeitsmedium, etwa Wasser, erwärmt wird und mittels einer Pumpe in Umlauf gebracht wird. Das Erwärmen erfolgt durch ein elektrisches Heizelement, das in dem Kreislauf angeordnet ist. Nachteilig an dieser Konstruktion ist zunächst das träge Ansprechverhalten des Systems. Es dauert relativ lange, das Wasservolumen derart zu erhitzen, um einen kontinuierlichen, hohen Wärmetransport in Gang zu setzen. Das bedeutet, dass es relativ lange dauert, die gewünschte Temperatur am Zielort zu erreichen. Weiterhin ist der Bauraumbedarf aufgrund der Mehrzahl an Einzelkomponenten relativ groß. Will man Wärmetauscher, Heizer, Pumpe und gegebenenfalls einen Ausgleichsbehälter miteinander verbinden, sind mindestens vier Leitungen für das Arbeitsmedium notwendig. Auch müssen die Leitungen für das Arbeitsmedium ausreichend groß dimensioniert werden, da bei zu kleinem Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Wärmeverlust an den Leitungen durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung zu groß wird. Weiterhin ist das Temperaturfenster, innerhalb dessen das flüssige Arbeitsmedium erwärmt werden kann, nach oben hin durch die Siedetemperatur des Arbeitsmediums begrenzt.

Die DE 10 201 1 103 1 10 A1 offenbart eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Wärmetauscher zur Beheizung eines Fahrgastinnenraums oder einer Fahrzeugkomponente, zumindest einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium unter Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle verdampfbar ist sowie einem den Wärmetauscher und den Verdampfer verbindendes Wärmeleitungselement, wobei das Wärmeleitungselement eine Hinleitung und eine Rückleitung zum Transport des Arbeitsmediums umfasst. Bei der Wärmequelle handelt es sich um ein Abgasrohr, das durch die heißen Abgase erwärmt wird. Diese Wärme wird durch einen Verdampfer aufgenommen, wobei ein flüssiges Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt wird. Diese in dem Dampf gespeicherte latente Wärme kann dann beispielsweise zum Beheizen eines Fahrgastinnenraumes genutzt werden. Gerade bei niedrigen Außentemperaturen, etwa im Winter, ist das Abgas zumindest bei Fahrbeginn jedoch ebenfalls deutlich niedriger temperiert. Das bedeutet, dass eine solche Heizvorrichtung dann ein viel trägeres Ansprechverhalten aufweist und der Fahrgastinnenraum deutlich langsamer beheizt wird. Das ist den Bedürfnissen des Fahrgastes im Winter aber genau entgegengesetzt, denn gerade dann ist ein schnelles Erreichen eines Wohlfühlklimas erwünscht. Gleiches gilt, wenn die Vorrichtung gemäß der DE 10 201 1 103 1 10 A1 zum Erwärmen anderer Fahrzeugkomponenten, beispielsweise Ölreservoirs, eingesetzt wird.

Ausgehend davon ist es also die Aufgabe der Erfindung, eine auch bei niedrigen Außentemperaturen oder ohne unmittelbare Wärmequelle eine hinreichend schnelle Erwärmung der Zielorte für die transportierte Temperatur kostengünstig zu gewährleisten und eine entsprechende Vorrichtung und Verfahren zur Verfügung zu stellen. Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.

Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 15 und 16.

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Wärmetauscher zur Beheizung eines Fahrgastinnenraums oder einer Fahrzeugkomponente, zumindest einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium unter Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle verdampfbar ist sowie einem den Wärmetauscher und den Verdampfer verbindendes Wärmeleitungselement. Das Wärmeleitungselement umfasst eine Hinleitung und eine Rückleitung zum Transport des Arbeitsmediums und ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite einer ersten Wand eines Gehäuses des Verdampfers ein elektrischer Heizer als Wärmequelle angeordnet ist.

Das Arbeitsmedium wird hier zunächst in einem Verdampfer in einen gasförmigen Zustand überführt. Die Wärme wird dem Arbeitsmedium unmittelbar und lokal zugeführt und in Form von latenter Wärme im Dampf gespeichert und in dem Wärmetauscher wieder abgegeben. Der Transport des gasförmigen Arbeitsmediums und damit der darin gespeicherten Wärme zum Wärmetauscher erfolgt mit hoher Geschwindigkeit. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Ansprechverhalten des Systems, so dass an den Zielorten im Fahrzeug, wo der Wärmetauscher angebracht ist, sehr zügig die erwartete Zieltemperatur erreicht wird.

Bei den Zielorten kann es sich sowohl um einen Fahrgastinnenraum handeln als auch um eine Fahrzeugkomponente. Bei letzterer sind die Möglichkeiten vielfältig und reichen von der Fahrzeugbatterie über Behälter für zu erwärmende Flüssigkeiten, etwa Getriebeöle, bis hin zu kälteempfindlichen elektronischen Geräten.

Durch das Vorliegen des Arbeitsmediums in Gasform und die so vorliegende Ausnutzung der latenten Wärme sind auch die Wärmeverluste über die Leitungswände äußerst gering. Damit können die Leitungen dünner gestaltet werden und beanspruchen somit weniger Bauraum, was Gewicht einspart. Es sind auch lediglich zwei Leitungen notwendig, was den Bauraumbedarf weiter reduziert.

Als Arbeitsmedium kommen beispielsweise Wasser oder Alkohole in Frage. Als besonders geeignet haben sich Methanol oder Ethanol erwiesen. Die Auswahl des Arbeitsmediums hängt von dem vorgesehenen Temperaturfenster im Betrieb ab, auf das die Siedetemperatur des Arbeitsmediums abgestimmt wird.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass es sich bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung um ein abgeschlossenes System mit einem geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium handelt, so dass keine regelmäßige Wartung des Systems wegen Verschmutzung oder Flüssigkeitsverlusten notwendig ist. In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hinleitung zum Transport eines gasförmigen Anteils des Arbeitsmediums von dem Verdampfer zu dem Wärmetauscher dient und die Rückleitung zum Transport eines flüssigen Anteils des Arbeitsmediums von dem Wärmetauscher zu dem Verdampfer dient.

Das Arbeitsmedium wird in dem Verdampfer in einen gasförmigen Zustand überführt und dieser Dampf über die Hinleitung zu dem Wärmetauscher transportiert. Dort wird das gasförmige Arbeitsmedium unter Abgabe von Wärme kondensiert und in flüssigem Zustand über die Rückleitung wieder zum Verdampfer zurückgeleitet. Auf diese Weise wird die vollständige in dem gasförmigen Arbeitsmedium gespeicherte latente Wärmemenge im Wärmetauscher abgegeben. Durch die getrennten Leitungen werden die gasförmigen und flüssigen Anteile des Arbeitsmediums räumlich getrennt voneinander transportiert, so dass keine Wärmeverluste durch ein Abkühlen des Gases an der Flüssigkeit entstehen. Dies verbessert zusätzlich die Effizienz der Heizvorrichtung.

Weiterhin umfasst der Verdampfer bevorzugt eine Kapillarstruktur, die zwischen der Hinleitung und der Rückleitung angeordnet ist. Bei der Kapillarstruktur handelt es sich um ein poröses, bevorzugt metallisches, Material, das bevorzugt in einem Sinterprozess hergestellt wird. Die Kapillarstruktur besteht aus einem mikroskopisch kleinen System aus Kavernen und Kanälen und besitzt vorzugsweise eine Porosität zwischen 40% und 60%, weiter bevorzugt zwischen 45% und 55%, besonders bevorzugt zwischen 48% und 52%.

Die Kapillarstruktur ist beim Starten der Heizvorrichtung und während des Betriebes immer mit flüssigem Arbeitsmedium gesättigt. Die Wärme wird vorzugsweise auf der hinleitungsseitigen Seite der Kapillarstruktur in den Verdampfer eingebracht. Dort verdampft das flüssige Arbeitsmedium und strömt in Richtung der Hinleitung. Auf der rückleitungsseitigen Seite der Kapillarstruktur liegt das Arbeitsmedium hingegen flüssig vor. Die beiden Seiten der Kapillarstruktur werden gegeneinander abgedichtet, so dass gasförmiger und flüssiger Anteil des Arbeitsmediums sich nicht miteinander vermischen können. Die beiden voneinander getrennten Seiten der Kapillarstruktur werden Dampfseite und Flüssigseite des Verdampfers genannt. Auf der Dampfseite des Verdampfers herrscht durch das Vorliegen des Arbeitsmediums als Gas und auf Grund der höheren Temperatur ein höherer Druck als auf der Flüssigseite. Bedingt durch diese Druckdifferenz, die durch entgegenwirkende Kapillarkräfte aufrecht gehalten wird, wird der Dampf dann wie beschrieben zum Wärmetauscher transportiert und wieder kondensiert, so dass das flüssige Arbeitsmedium zurück zum Verdampfer auf dessen Flüssigseite fließen kann. Durch Kapillarkräfte wird kontinuierlich flüssiges Arbeitsmedium von der Flüssigseite in die Kapillarstruktur nachgezogen und auf der Dampfseite verdampft. Auf diese Weise wird ein Kreislauf für das Arbeitsmedium initiiert, ohne dass eine zusätzliche Pumpe notwendig ist. Dies verringert ebenfalls den Bauraumbedarf führt zu einer weiteren Kompaktheit der Heizvorrichtung. Außerdem wird der Energieverbrauch durch das Eliminieren einer elektrisch betriebenen Pumpe reduziert. Die zum Anschluss der Pumpe an einen Kreislauf notwendigen Leitungen können ebenso eingespart werden.

Bevorzugt ist die Kapillarstruktur in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zwischen der Rückleitung der Kapillarstruktur einen Hohlraum zur Aufnahme des rücktransportierten Arbeitsmediums aufweist.

Wie bereits erwähnt soll die Kapillarstruktur zu jedem Zeitpunkt des Betriebes der Heizvorrichtung mit flüssigem Arbeitsmedium gesättigt sein. Ist dies nicht der Fall und trocknet die Kapillarstruktur aus, wird das Arbeitsmedium nicht effektiv verdampft und der Wirkungsgrad der Heizvorrichtung wird geringer. Um die Sättigung zu gewährleisten, muss die gesamte Oberfläche der Kapillarstruktur auf der Flüssigseite mit flüssigem Arbeitsmedium benetzt sein. Dies wird erreicht durch einen Hohlraum der in dem Gehäuse zwischen der Kapillarstruktur und der Gehäusewand auf der Flüssigseite ausgebildet wird. In diesem Hohlraum sammelt sich die vom Wärmetauscher rücktransportierte Flüssigkeit, so dass immer eine ausreichende Benetzung der Kapillarstruktur gewährleistet ist.

Bereits bei der Auslegung der Heizvorrichtung ist darauf zu achten, dass eine ausreichende Menge an Arbeitsmedium in dem System vorgesehen ist, um jederzeit eine Sättigung der Kapillarstruktur gewährleisten zu können. Insbesondere beim Start des Systems, wenn der Kreislauf des Arbeitsmediums erst anläuft, ist für einen kontinuierlichen Nachfluss des Arbeitsmediums zur Kapillarstruktur zu sorgen.

Der elektrische Heizer wird bevorzugt in vollflächige Anlage mir der ersten Wand des Gehäuses gebracht. Dies kann über eine Flächenpressung erfolgen, aber auch durch eine stoffschlüssige Verbindung. Dadurch wird die elektrisch erzeugte Wärme unmittelbar in den Verdampfer eingetragen und ein unmittelbares Verdampfen des Arbeitsmediums ermöglich. Dies steigert wiederum das Ansprechverhalten und die Effizienz des Systems.

Ein elektrischer Heizer macht die Heizvorrichtung in ihrem Betrieb unabhängig von anderen möglichen Wärmequellen, wie etwa dem Abgasstrang. Insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wo es keine Abgaswärme zu verwerten gibt, ist ein elektrischer Heizer vorteilhaft. Zudem ist dadurch eine kontinuierliche und steuerbare Wärmezufuhr möglich.

Auch bei konventionell betriebenen Fahrzeugen treten Situationen auf, in denen keine oder nur geringe Abgaswärme vorhanden ist. Beispielsweise kann bei niedrigen Außentemperaturen, solange die Abgastemperatur zu niedrig für einen effektiven Betrieb der Heizvorrichtung ist, der elektrische Heizer die Wärmezufuhr für den Verdampfer übernehmen. Bevorzugt sind dann sowohl der elektrische Heizer als auch der Abgasstrang an der Außenseite einer ersten Wand des Gehäuses angeordnet.

Einen weiteren Anwendungsfall stellt die Fahrzeugbatterie in besondere bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug dar. Wird etwa die eine Batterie bei stillstehendem Kraftfahrzeug geladen und ist dabei eine Temperierung der Batterie notwendig, kann auch dafür eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung mit einem elektrischen Heizer genutzt werden.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Kapillarstruktur an der Innenseite der ersten Wand des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch wird der Wärmeeintrag in die Kapillarstruktur weiter optimiert und die Verdampfung des Arbeitsmediums noch effektiver durchgeführt. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung in einfacher Weise der oben beschriebene Hohlraum zwischen Kapillarstruktur und der Gehäusewand erzeugt und die Dampf- und Flüssigseite des Verdampfers sind durch eine Dichtung auf der Flüssigseite der Kapillarstruktur sehr einfach voneinander abzutrennen.

Weiterhin sieht eine besondere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Kapillarstruktur an ihrer an der ersten Wand anliegenden Oberfläche in ihrer Längsund/oder Querrichtung verlaufende einstückig und materialeinheitliche, ausgebildete Dampfrillen aufweist. Diese Dampfrillen liegen mithin auf der Dampfseite der Kapillarstruktur vor und dienen dazu, das gasförmige Arbeitsmedium zügig zu der Hinleitung abzuleiten. Zusätzlich kann ein Dampfsammeiraum unmittelbar vor der Hinleitung vorgesehen sein, in den die Dampfrillen münden. Dadurch wird die Verdampfung des Arbeitsmediums effektiver gestaltet.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwischen der Kapillarstruktur und der Innenseite der ersten Wand des Gehäuses Abstandhalter angeordnet sind, die zusammen mit der Kapillarstruktur und der ersten Wand in Längs- und/oder Querrichtung der Kapillarstruktur verlaufende Dampfrillen ausbilden.

In dieser Variante kann die Kapillarstruktur einfacher hergestellt werden. Die Abstandshalter können beispielsweise als Stege oder Sicken aus der Gehäusewand ausgebildet sein. Alternativ können auch Pins vorgesehen sein, die einstückig aus der Wand ausgebildet sein können oder form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Wand verbunden sind.

Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass ein Ausgleichsvolumen für das Arbeitsmedium vorgesehen ist.

Wie bereits weiter oben beschrieben, muss gewährleistet sein, dass die Kapillarstruktur jederzeit mit flüssigem Arbeitsmedium gesättigt ist. Es ist daher grundsätzlich eine möglichst große Menge des Arbeitsmediums in dem System wünschenswert, um einen kontinuierlichen Nachfluss zu der Kapillarstruktur zu gewährleisten. Dementsprechend ist ein Ausgleichsvolumen vorgesehen, der das nicht im direkten Umlauf befindliche Arbeitsmedium aufnimmt. Beim Startzustand muss auch unbedingt eine Restmenge an flüssigem Arbeitsmedium in dem Ausgleichsvolumen vorhanden sein, damit ein unmittelbarer Nachfluss zur Sättigung der Kapillarstruktur gegeben ist.

Das Gesamtvolumen muss aber so bemessen sein, dass zu jedem Betriebszeitpunkt das System lediglich durch den Dampfdruck und nicht durch hydrostatischen Druck belastet wird, selbst wenn das gesamte Arbeitsmedium in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Ansonsten besteht die Gefahr des Berstens des Systems.

Bevorzugt ist das Ausgleichsvolumen für das Arbeitsmedium in oder unmittelbar an dem Gehäuse vorgesehen. Durch diese kompakte Konzeption wird der benötigte Bauraum weiter optimiert.

Besonders bevorzugt ist das Ausgleichsvolumen als Ausstülpung einer zweiten Wand des Gehäuses ausgebildet. Auch dies ermöglicht eine bauraumoptimierte Gestaltung des Verdampfers, da das Ausgleichsvolumen nahezu beliebig geformt werden und an den vorhandenen Bauraum angepasst werden kann.

Eine einstückige Ausbildung des Ausgleichsvolumens in der Gehäusewand ermöglicht zudem eine ideale Dichtigkeit des Ausgleichsvolumens.

Die Ausstülpung für das Ausgleichsvolumen ist bevorzugt gegenüberliegend von der Kapillarstruktur an der zweiten Wand des Gehäuses ausgebildet und formt eine dachartige Struktur. Diese Gestaltung ermöglicht es, dass sich Dampf der sich unerwünscht auf der Flüssigseite des Verdampfers gebildet hat, dort an der höchsten Stelle der Ausstülpung sammeln kann, damit wird vermieden, dass sich der Dampf in der Umgebung der Kapillarstruktur sammelt und eine Untersättigung der Kapillarstruktur ermöglicht. Der in der Ausstülpung gesammelte Dampf kann ebenfalls über eine separate Leitung in die Hinleitung geleitet werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der ersten Wand des Gehäuses Flansche ausgebildet sind, die die Wärmequelle zumindest teilweise umgreifen. Diese Ausgestaltung verbessert die Ausnutzung der Wärmequelle und damit den Wärmeeintrag in den Verdampfer. Bei den Flanschen kann es sich beispielsweise um in die Wand eingeformte Sicken handeln oder um Finnen die einstückig aus der Wand ausgeformt sind oder stoffschlüssig mit der Wand verbunden sind.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zwei Verdampfer vorzugsweise symmetrisch an einer Wärmequelle angeordnet sind und über jeweils ein Wärmeleitungselement mit einem oder mit jeweils einem Wärmetauscher verbunden sind.

Weiterhin bevorzugt sind die Flansche der Gehäuse der beiden Verdampfer so ausgebildet sind, dass die Wärmequelle vollständig umgriffen wird.

Auch diese Ausgestaltungen dienen der Optimierung der Wärmenutzung. Die an der Wärmequelle anliegenden Wände der Verdampfer und jeweiligen Flansche bilden dann einen Hohlraum, in dem die Wärmequelle vollflächig anliegend angeordnet ist. Auf diese Weise kann nahezu die gesamte von der Wärmequelle zur Verfügung gestellte Wärme in den Kreislauf des Arbeitsmediums eingeleitet werden. Dabei können beide Verdampfer über ihre Wärmeleitungselemente mit einem einzigen Wärmetauscher verbunden sein und somit die lokal zur Verfügung gestellte Wärmemenge erhöhen. Andererseits können auch unterschiedliche Orte im Fahrzeug mit Wärme versorgt werden, indem jeder Verdampfer mit einem separaten Wärmetauscher verbunden ist.

Diese Anordnung kann im Grund beliebig erweitert werden. Bei einer langgestreckten Wärmequelle wie etwa einem Abgasstrang oder einem entsprechend gestalteten elektrischen Heizer, können mehrere Verdampfer hintereinander angeordnet und eine Mehrzahl von Zielorten im Fahrzeug mit Wärme versorgt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beheizung eines Fahrgastinnenraums oder einer Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Arbeitsmedium unter Wärmezufuhr durch eine als elektrischer Heizer ausgeführte Wärmequelle in einem Verdampfer in einem gasförmigen Zustand überführt und über ein Wärmeleitungselement zu einem Wärmetauscher geleitet wird, wo das gasförmige Arbeitsmedium unter Abgabe von Wärme kondensiert. Das gasförmige Arbeitsmedium wird über eine Hinleitung von dem Verdampfer zu dem Wärmetauscher geleitet wird und das kondensierte Arbeitsmedium wird über eine Rückleitung von dem Wärmetauscher zu dem Verdampfer geleitet.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist insbesondere der unmittelbare Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium und die dortige Speicherung in Form von latenter Wärme. Die gespeicherte Wärme wird damit sehr schnell zu den Wärmetauschern transportiert und ein Fahrgastinnenraum oder eine Fahrzeugkomponente, kann sehr zügig auf die gewünschte Zieltemperatur gebracht werden. Das System weist somit ein schnelleres Ansprechverhalten auf, als bei einer lediglichen Erwärmung eines Arbeitsmediums, das in seinem vorliegenden Aggregatzustand verbleibt. Weitere Aspekte und Vorteile des Verfahrens wurden oben bereits im Zusammenhang mit der Heizvorrichtung erläutert.

Durch den Wärmetransport in Form von latenter Wärme wird der Wärmeverlust in den Leitungen gering gehalten, was eine hohe energiesparende Effizienz des Verfahrens zur Folge hat.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das kondensierte Arbeitsmedium durch Kapillarkräfte von einer Flüssigseite des Verdampfers durch eine zwischen der Hinleitung und der Rückleitung angeordneten Kapillarstruktur zu einer Dampfseite des Verdampfers geleitet wird.

Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Heizvorrichtung selbst beschrieben führt das Verdampfen des Arbeitsmediums auf der Dampfseite des Verdampfers zu einer Druckdifferenz zwischen Dampfseite und Flüssigseite, wodurch der Dampf zu dem Wärmetauscher transportiert wird. Die Druckdifferenz wird die durch entgegenwirkende Kapillarkräfte aufrecht gehalten. Bedingt durch Kapillarkräfte wird flüssiges Arbeitsmedium in die Kapillarstruktur nachgezogen und ein somit Kreislauf für das Arbeitsmedium angetrieben. Eine zusätzliche Pumpe ist obsolet, was die Effizienz des Systems weiter verbessert, da keine zusätzliche Energie zum Betrieb der Pumpe benötigt wird.

Besonders bevorzugt wird das Arbeitsmedium bei einer Temperatur zwischen 50°C und 200°C, bevorzugt zwischen 60°C und 130°C, besonders bevorzugt zwischen 70°C und 1 10°C verdampft. Das im jeweiligen Anwendungsfall vorgesehene Temperaturfenster hängt dabei von der gewünschten Zieltemperatur am Wärmetauscher und dem zum Einsatz kommenden Arbeitsmedium ab.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Schemazeichnung einer aus dem Stand der Technik bekannten

Heizvorrichtung

Figur 2 eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Verdampfers

Figur 4 eine Schnittdarstellung eines Verdampfers mit einem

Ausgleichsvolumen

Figur 5 eine Schnittdarstellung einer Ausgestaltung mit zwei Verdampfern

Die Figur 1 zeigt eine Heizvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, in einer schematischen Darstellung. Die Heizvorrichtung besteht aus einem Widerstandsheizelement 1 1 , in dem das in dem Kreislauf der Heizvorrichtung 10 enthaltene Wasser erhitzt wird. Über eine erste Leitung 12 gelangt das Wasser in einen Wärmetauscher 13, wo das Wasser abgekühlt und die freiwerdende Wärme an ihren vorgesehenen Ort, beispielsweise den Fahrgastinnenraum, abgegeben wird. Das abgekühlte Wasser wird über eine zweite Leitung 14 durch einen Ausgleichsbehälter 15 geführt, der wiederum über eine dritte Leitung 16 mit einer Pumpe 17 verbunden ist. Von der Pumpe 17 wird das Wasser über eine vierte Leitung 18 zurück in das Widerstandsheizelement 1 1 geleitet und der Kreislauf beginnt von neuem.

Bei dem Widerstandsheizelement 1 1 kann es sich beispielsweise um einen sogenannten PTC-Heizer handeln, der mit einer Leistung von bis zu einigen Kilowatt, beispielsweise 5 Kilowatt, das Wasser erwärmt. Als zusätzlicher Stromverbraucher ist die Pumpe 17 zu sehen, die in dieser Heizvorrichtung 10 zwingend notwendig ist, um den Wasserkreislauf am Laufen zu halten. Zudem führen Wärmeaufnahme und der Wärmetransport zu einem relativ langsamen Ansprechverhalten des Systems.

In der praktischen Umsetzung ist diese Heizvorrichtung 10 zudem sehr bauraumeinnehmend, was neben den einzelnen Komponenten auch an den vier Leitungen 12, 14, 16, 18 liegt. Werden diese zu dünn ausgelegt, ist wegen des großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses der Wärmeverlust über die Leitungswände zu groß. Ein Mindestvolumen für diese Leitungen 12, 14, 16, 18 ist daher unabdingbar. Neben dem beanspruchten Gesamtvolumen geht dies zudem mit einer geringeren Flexibilität bei der Leitungsführung einher.

Wasser siedet unter Normalbedingungen bei 100°C, so dass die einbringbare Wärmemenge begrenzt ist. Zudem macht die temperaturbedingte Volumenänderung einen zusätzlichen großvolumigen Ausgleichbehälter 15 notwendig.

Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung 20 für ein Kraftfahrzeug hingegen zeigt Figur 2. Diese weist einen Wärmetauscher 21 zur Beheizung eines Fahrgastinnenraums oder einer Fahrzeugkomponente (jeweils nicht näher dargestellt) auf. Bei der Fahrzeugkomponente handelt es sich um einen Bestandteil des Kraftfahrzeugs, der dauerhaft oder in bestimmten Situationen erwärmt werden soll. Beispiele hierfür sind die Batterie oder ein Behältnis für Getriebeöl. Weiterhin weist die Heizvorrichtung einen Verdampfer 22 auf, in dem ein Arbeitsmedium 31 unter Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle 25 verdampfbar ist. Weiterhin ist ein Wärmeleitungselement vorhanden, das eine Hinleitung 23 und eine Rückleitung 24 zum Transport des Arbeitsmediums 31 umfasst. Die Wärmequelle 25 ist als elektrischer Heizer ausgeführt, der über eine Spannungsquelle 19 mit Strom versorgt wird.

In der Heizvorrichtung 20 muss kein vollständiges Flüssigkeitsvolumen erwärmt werden, es wird ein Arbeitsmedium 31 verdampft und die eingebrachte Wärme in Form von latenter Wärme in dem gasförmigen Arbeitsmedium 31 gespeichert. Bei dem Arbeitsmedium 31 kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, aber auch um Alkohole wie Methanol oder Ethanol. Das zum Einsatz kommende Arbeitsmedium 31 hängt maßgeblich von dem Temperaturfenster ab, bei dem der Wärmetauscher betrieben werden soll. Daran angepasst ist nämlich der Verdampfungspunkt des Arbeitsmediums zu wählen.

Das verdampfte Arbeitsmedium 31 wird über die Hinleitung 23 zum Wärmetauscher 21 geführt. Dort wird der Dampf kondensiert und gibt die Wärme wieder ab, die dem Zielort zugeführt wird. Das flüssige Arbeitsmedium 31 wird über die Rückleitung 24 zurück zum Verdampfer 22 transportiert. Da der Wärmetransport in Form von latenter Wärme stattfindet, ist der Wärmeverlust über die Wände der Hinleitung 23 sehr viel geringer, als im beschriebenen Stand der Technik. Die Leitungen 23, 24 können dünner gestaltet werden, was sie kleinvolumiger, leichter und flexibler macht. Es sind auch nur zwei Leitungen 23, 24 notwendig, was die Heizvorrichtung 20 insgesamt kompakter macht.

Bereits bei der Auslegung kann das System hinsichtlich der benötigten Menge des Arbeitsmediums 31 konzipiert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, welches Volumen das gesamte verdampfte Arbeitsmedium 31 besitzt. Zu keinem Zeitpunkt jedoch ist die Heizvorrichtung 20 vollständig mit flüssigem Arbeitsmedium 31 gefüllt. Dadurch entfällt ein großvolumiger, separater Ausgleichsbehälter 15. Zwar ist ein kleineres Ausgleichsvolumen 37 notwendig, das jedoch unproblematisch in unmittelbarer Nähe zu dem Verdampfer 22 angeordnet oder in diesem selbst ausgebildet werden kann. So wird ebenfalls eine hohe Kompaktheit in der Bauweise ermöglicht.

Schließlich wird durch das Verdampfen des Arbeitsmediums 31 und des Transport des gasförmigen Arbeitsmediums 31 der Wärmetransport sehr zügig bewerkstelligt. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Ansprechverhalten des Systems. Durch den Wärmetauscher 21 kann der Fahrgastraum oder die Fahrzeugkomponente zügig aufgeheizt werden, insbesondere in der kalten Jahreszeit führt dies zu einem deutlich verbesserten Fahrkomfort.

In Figur 3 ist eine mögliche Ausgestaltung des Verdampfers 22 detaillierter dargestellt. Zwischen der Hinleitung 35 und der Rückleitung 34 ist eine Kapillarstruktur 28 angeordnet. Diese besteht aus einem porösen Material, wobei die Porosität zwischen 40% und 60%, bevorzugt zwischen 45% und 55%, besonders bevorzugt zwischen 48% und 52% liegt. Es handelt sich hierbei um ein gesintertes metallisches Material, beispielsweise Kupfer. Die Kapillarstruktur 28 ist in einem Gehäuse 26 untergebracht, in das die Rückleitung 34 hinein- und die Hinleitung 35 herausführt.

Die Kapillarstruktur 28 ist dabei an einer Innenseite einer ersten Wand 27 des Gehäuses 26 angeordnet. Die erste Wand 27 bildet gleichzeitig einen Deckel des Gehäuses 26. Auf der gegenüberliegenden Außenseite der ersten Wand 27 ist eine Wärmequelle 25 angeordnet.

Zwischen der Kapillarstruktur 28 und einer zweiten Wand 30 des Gehäuses 26 ist ein Hohlraum 36 ausgebildet. In diesem Hohlraum 36 kann sich das flüssige Arbeitsmedium 31 sammeln, so dass (auf die Darstellung in Figur 3 bezogen) die Oberseite der Kapillarstruktur 28, auch deren Flüssigseite genannt, stets benetzt ist und die Kapillarstruktur 28 selbst mit flüssigem Arbeitsmedium 31 gesättigt ist. Durch Dichtungen 32 ist die Flüssigseite der Kapillarstruktur 28 von der gegenüberliegenden sogenannten Dampfseite abgedichtet.

Die Wärmequelle 25 erwärmt das Arbeitsmedium 31 , das sich auf der Dampfseite in der Kapillarstruktur 28 befindet und verdampft dieses. Der Dampf sammelt sich in Dampfrillen 29, die in der Kapillarstruktur 28 an ihrer an der ersten Wand 27 anliegenden Oberfläche, also der Dampfseite, einstückig und materialeinheitlich ausgebildet sind.

Auf der Dampfseite des Verdampfers herrscht auf Grund der höheren Temperatur ein höherer Druck als auf der Flüssigseite. Durch Kapillarkräfte wird das flüssige Arbeitsmedium 31 weiter von der Flüssigseite durch die Kapillarstruktur 28 auf die Dampfseite gesogen und dort wiederum verdampft. Der Dampf strömt, bedingt durch die herrschende Druckdifferenz, die durch entgegenwirkende Kapillarkräfte aufrecht gehalten wird, in einen Dampfsammeiraum 33 von dem aus die Hinleitung 35 zum hier nicht dargestellten Wärmetauscher 21 führt (Flussrichtung B des gasförmigen Arbeitsmediums). Dort kondensiert der Dampf und wird über die Rückleitung 34 zurück in den Hohlraum 36 in dem Gehäuse 26 geleitet (Flussrichtung A des flüssigen Arbeitsmediums). Hier zeigt sich ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 20. Der durch die Druckdifferenz angetriebene Strom des Arbeitsmediums 31 führt zu einem automatischen Kreislauf des Arbeitsmediums 31 in der Heizvorrichtung 20. Dadurch wird eine zusätzliche Pumpe, mithin ein zusätzlicher Energieverbraucher, überflüssig und gleichzeitig zusätzlich Bauraum eingespart.

Beim Erwärmen des Arbeitsmediums 31 wird dieses bei einer Temperatur zwischen 50°C und 200°C, bevorzugt zwischen 60°C und 130°C, besonders bevorzugt zwischen 70°C und 1 10°C verdampft. Das Dampfvolumen ist gewöhnlich größer als das Flüssigvolumen des Arbeitsmediums 31 . Dies ist bei der Auslegung des Gesamtsystems der Heizvorrichtung 20 zu berücksichtigen.

Es ist grundsätzlich eine möglichst große Menge des Arbeitsmediums 31 in dem System wünschenswert, um einen kontinuierlichen Nachfluss zu der Kapillarstruktur 28 zu gewährleisten, damit diese stets durch das flüssige Arbeitsmedium 31 gesättigt bleibt. Allerdings ist auch der zur Verfügung stehende Bauraum und das Gesamtgewicht des Systems zu beachten.

Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass zu jedem Betriebszeitpunkt das System lediglich durch den Dampfdruck und nicht durch hydrostatischen Druck belastet wird, selbst wenn das gesamte Arbeitsmedium 31 in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Ansonsten besteht die Gefahr des Berstens des Systems. Dementsprechend wird die Befüllung des Gesamtsystems minimal gehalten und es ist ein Ausgleichsvolumen 37 vorgesehen, des das nicht im direkten Umlauf befindliche Arbeitsmedium 31 aufnimmt.

Ein solches Ausgleichsvolumen 37 kann als separates Behältnis im Kreislauf vorgesehen sein, aber auch direkt aus dem Gehäuse 26 des Verdampfers 22 ausgeformt sein, wie in Figur 4 dargestellt. Dort ist der Ausgleichsvolumen 37 aus einer zweiten Wand 30 des Gehäuses 26 ausgeformt. Er wird gebildet aus schrägen Wänden 38, 39, die in der Bildebene aus der zweiten Wand 30 nach oben geführt werden. Abgeschlossen wird der Ausgleichsvolumen 37 durch eine Deckfläche 40. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass sich gasförmiges Arbeitsmedium 31 auch auf der Flüssigseite der Kapillarstruktur bildet. Dies ist nicht erwünscht und kann zu einer mangelhaften Sättigung der Kapillarstruktur 28 mit Arbeitsmedium 31 führen. In diesem Fall hat die hier dargestellte Ausgestaltung des Ausgleichsvolumens 37 weitere Vorteile. Der entstehende Dampf sammelt sich in dem Bereich unterhalb der Deckfläche 40 und damit möglichst weit entfernt von der Kapillarstruktur 28, wodurch eine vollständige Benetzung der Kapillarstruktur 28 mit flüssigem Arbeitsmedium 31 gewahrt bleibt. Es ist auch möglich das Ausgleichsvolumen 37 mit einer zusätzlichen, an der Deckfläche 40 angebrachten Leitung mit dem Dampfsammeiraum 33 oder direkt mit der Hinleitung 35 zu verbinden, um den unter der Deckfläche 40 gesammelten Dampf direkt wieder dem Kreislauf zuzuführen.

Um eine noch effektivere Ausnutzung der durch die Wärmequelle 25 zur Verfügung gestellten Wärme zu erreichen, können zwei Verdampfer 41 , 44 symmetrisch an der Wärmequelle 25 angeordnet sein, wie Figur 5 dies zeigt. Der erste Verdampfer 41 und der zweite Verdampfer 44 weisen jeweils zwei Flansche 47, 48, 49, 50 auf, die an den Gehäusen der Verdampfer 41 , 44 angebracht sind. Diese Flansche 47, 48, 49, 50 umgreifen die Wärmequellen 25 vollständig. Somit kann die gesamte umfangsseitig abgestrahlte Wärme der Wärmequelle 25 aufgenommen und dem Arbeitsmedium 31 zugeführt werden. Die Verdampfer 41 , 44 verfügen über jeweils eine Hinleitung 43, 46 und eine Rückleitung 42, 45 durch die das gasförmige Arbeitsmedium 31 in Flussrichtung B, B' abtransportiert und das flüssige Arbeitsmedium 31 in Flussrichtung A, A' rückgeführt wird.

Dabei können die erste Hinleitung 43 und die zweite Hinleitung 46 zu jeweils unterschiedlichen Empfängern für die transportierte Wärme führen, es können aber auch beide Hinleitungen 43, 46 zu ein und demselben Wärmetauscher führen. Für die erste und zweite Rückleitung 42, 45 gilt dies in analoger Weise. Bezuqszeichen:

10 Heizvorrichtung

1 1 Widerstandsheizelement

12 erste Leitung

13 Wärmetauscher

4 zweite Leitung

15 Ausgleichsbehälter

16 dritte Leitung

17 Pumpe

18 vierte Leitung

19 Spannungsquelle

20 Heizvorrichtung

21 Wärmetauscher

22 Verdampfer

23 Hinleitung

24 Rückleitung

25 Wärmequelle

26 Gehäuse

27 erste Wand

28 Kapillarstruktur

29 Dampfrillen

30 zweite Wand

31 Arbeitsmedium

32 Dichtung

33 Dampfsammeiraum

34 Rückleitung

35 Hinleitung

36 Hohlraum

37 Ausgleichsvolumen

38 schräge Wand

39 schräge Wand

40 Giebel

41 Verdampfer

42 Rückleitung Hinleitung Verdampfer Rückleitung Hinleitung Flansch Flansch Flansch Flansch

Flussrichtung Flussrichtung Flussrichtung Flussrichtung