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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Klimatisieren eines Luftfahrzeugs sowie ein Luftfahrzeug mit solch einem Klimatisierungssystem.
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TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
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Klimatisierungssystemen in Luftfahrzeugen wird üblicherweise Zapfluft zugeführt, bei der es sich um heiße Druckluft handelt, die einer Verdichterstufe eines Triebwerks entnommen wird oder mittels eines Verdichters gewonnen wird, welcher durch eine Hilfsgasturbine („APU”) angetrieben wird. Solch ein Klimatisierungssystem ist beispielsweise aus der
DE 199 36 641 A1 bekannt.
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Bei derartigen, heute üblichen Klimatisierungssystemen handelt es sich um Systeme, die auf hohem Temperatur- und Druckniveau arbeiten. Die entnommene Zapfluft befindet sich auf einem Temperaturniveau von 200°C und wird über Leitungen an alle Zapfluftverbraucher im Flugzeug verteilt. Heutige Klimatisierungssysteme benötigen Stauluft („ram air”) als Wärmesenke. Im Bodenbetrieb muss ein Gebläse Luft ansaugen, um das System zu kühlen. Die zur Klimatisierung verwendete Zapfluft wird mittels dieser Stauluft, Kompression, Zwischenkühlung und Expansion der Zapfluft gekühlt. Die Klimatisierungsaggregate sind üblicherweise in einem nicht-druckbeaufschlagen Schacht im Flugzeugbauch untergebracht. Daher muss das Leitungssystem für die Luftversorgung im Flugzeug u. U. über große Strecken verlegt werden. Über die gesamte Länge muss sichergestellt sein, dass sich die heiße Zapfluft führenden Leitungen nicht negativ auf die verwendeten Materialien auswirken.
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Aufgrund der heute erforderlichen großen Luft-Luft-Wärmeübertrager nahe am Zapfluftkreis des Systems werden üblicherweise die Klimatisierungsaggregate im nicht-druckbeaufschlagen Schacht im Flugzeugbauch angeordnet, um die Wärmeenergie an die Umgebung abgeben zu können. Jedoch ist solch eine Wärmeabgabe aufgrund der Auftrennung in druckbeaufschlagte und nicht-druckbeaufschlagte Zonen und den damit verbundenen großen Ausbuchtungen im druckbeaufschlagten Flugzeugrumpf nicht vorteilhaft. Darüber hinaus muss das Klimatisierungssystem durch die Versorgung mit heißer Zapfluft mit einem Hitzeschild bedeckt werden, um diese heißen Komponenten zu isolieren und abzutrennen. Dabei ist ferner zu beachten, dass bei Anordnung des Klimaaggregats in einer Zone, in der Kerosindampf existiert, für eine ausreichende Ventilation des nicht-druckbeaufschlagten Schachts („UBV – Unpressurized Bay Ventilation”) zu sorgen ist.
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Kabinenzonen werden mit Luft auf einem Temperaturniveau versorgt, welches durch die Kabinenzone mit dem niedrigsten Temperaturniveaubedarfbestimmt wird. Da diese Luft für die restlichen Kabinenzonen zu kalt ist, wird heiße Trimmluft („trim air”) zu jeder Kabinen- und Cockpitzone zugeführt, um die Solltemperatur in den Kabinenzonen zu erreichen. Neben der unvorteilhaften Energiebilanz ist hierbei auch zu bedenken, dass die Leitungen für die heiße Trimmluft sorgfältig in die druckbeaufschlagte Zone integriert werden müssen, um negative Auswirkungen auf neuerdings häufiger verwendete, weniger temperaturbeständige Luftfahrtmaterialien, wie beispielsweise kohlefaserverstärkte Kunststoffe zu vermeiden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zumindest einen der oben erwähnten Aspekte zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit dem Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug, dem Verfahren zum Klimatisieren eines Luftfahrzeugs und dem Luftfahrzeug mit solch einem Klimatisierungssystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Ausführungsform der Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik durch ein Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug auf. Dieses Klimatisierungssystem umfasst einen Druckluftstrang zum Führen einer von außen zugeführten und druckbeaufschlagten Luft, einen Kältekreis zum Führen von Kältemittel, der durch einen Stauluftkanal führt, einen ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Druckluftstrang und dem Kältekreis, eine Druckluft-Turbine, die im Druckluftstrang angeordnet ist sowie einen Kältekreis-Kompressor, der im Kältekreis angeordnet ist und mit der Druckluft-Turbine mechanisch gekoppelt ist. Durch diese Ausführungsform wird ein Hybridluftkühlsystem für ein Passagierflugzeug geschaffen, bei dem eine Frischluftzufuhr mit einem weiteren Kühlsystem kombiniert wird. Durch die Aufteilung in Druckluftstrang und separaten Kältekreis, kann das Klimatisierungssystem in flexibel positionierbare Module aufgeteilt werden, die an verschiedenen Stellen im Luftfahrzeug anzuordnen sind, beispielsweise kann ein Stauluftkanal im Flugzeugbauch und das Klimaaggregat mit dem Wärmeübertrager zum Kühlen der Zapfluft im Flugzeugheck angeordnet werden, oder es kann die Turbinen- und Kompressoreinheit vom Stauluftkältekreis getrennt werden. Die Wärmeübertrager zum Kühlen der heißen Zapfluft können daher möglichst nahe an den Triebwerken und somit am Zapfluftentnahmepunkt platziert werden, wodurch die Länge an heißen Zapfluftleitungen für die Luftversorgung des Klimatisierungssystems, insbesondere bei einem Flugzeug mit am Heck platzierten Triebwerken, verringert werden kann, so dass nur eine kurze heiße Zapfluftleitung nahe des Triebwerks erforderlich ist. Dies ist vorteilhaft bei der Verwendung von temperaturkritischen Materialien, wie beispielsweise kohlefaserverstärktem Kunststoff, da durch diese Ausführungsform weniger temperaturabschirmende Maßnahmen getroffen werden müssten. Insgesamt können die Abmessungen des Systems und dessen Gewicht durch kleinere Wärmeübertrager minimiert werden. Durch die verkürzten heißen Leitungen kann die Übertragung heißer Luft innerhalb des Klimatisierungssystems verringert werden, was den Effekt hat, dass unterhalb von 200°C keine Entzündbarkeit mehr besteht. Außerdem können durch die Positionierungsflexibilität des Systems die heißeren Komponenten entfernt von den Treibstofftanks positioniert werden, wodurch Sicherheitsmaßnahmen, wie Hitzeschilder, Isolationen oder Überhitzungserfassungssysteme verringert werden können. Ferner kann die Belüftung des nicht-druckbeaufschlagten Flugzeugbauchbereichs optimiert werden, weil unterhalb des zentralen Flügeltanks weniger heiße Komponenten vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für den Kältekreis nicht zwingend ein elektrische Hochleistungseinheit, wie beispielsweise ein motorgetriebener Kompressor, erforderlich ist, da der Kältekreis-Kompressor von thermodynamisch aus der Zapfluft gewonnener Energie angetrieben werden könnte – der Kältekreis-Kompressor also elektromotorfrei oder frei von einem elektrischen Antrieb antreibbar ausgeführt sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat das Klimatisierungssystem einen zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Druckluftstrang und dem Kältekreis. Des Weiteren weist das Klimatisierungssystem eine Kältekreis-Turbine auf, die im Kältekreis angeordnet ist und dem zweiten Wärmetauscher bezogen auf eine vorgesehene Kältemittelströmungsrichtung nachgeschaltet ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch die Einbindung einer Kältekreis-Turbine und die darin stattfindende Expansion zusätzliche mechanische Energie zur Verfügung steht, die zum Antrieb des Kältekreis-Kompressors genutzt werden kann. Dies führt zu einer höheren Kompression des Kältemittels im Kältekreis-Kompressor, wodurch die Temperatur des Kältemittels auf etwa 120°C erhöht werden kann. Diese relativ hohe Temperatur des Kältemittels beim Eintritt in einen im Stauluftkanal angeordneten Kondensator ist, auf Grund die hohen Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft im Stauluftkanal und Kältemittel, vorteilhaft für eine gute Wärmeabgabe. Diese größere Temperaturdifferenz hat den Vorteil, dass verglichen mit heutigen Stauluftkanälen ein kleinerer Stauluftmassenstrom zur Kühlung des Kältemittels ausreicht. Besonders am Boden, wo der Luftstrom von einem Gebläse angesaugt wird, ist ein geringerer Stauluftverbrauch vorteilhaft. Außerdem ist die Kältemittel-Luft-Wärmeübertragung effizienter, so dass der Wärmetauscher im Stauluftkanal kleiner ausgeführt werden kann. Durch den geringeren Stauluftmassenstrom kann der cw-Wert des Flugzeugs verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuereinrichtung zur Begrenzung eines Kältemittelstroms durch den ersten Wärmeübertrager vorgesehen. Dies bringt den Vorteil, dass die Temperatur des Druckluftstroms beim Austritt aus dem ersten Wärmetauscher einstellbar ist. Abhängig von der Temperatur des Druckluftstroms hat dieser einen bestimmten Feuchtigkeitsanteil. In einem stromabwärtigen Wasserabscheider des Druckluftstrangs wird somit je nach Einstellung der Steuereinrichtung dem Druckluftstrom unterschiedlich viel Wasser entzogen, so dass über die Steuereinrichtung der Feuchtigkeitsanteil der der Kabine zuzuführenden Frischluft einstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Klimatisierungssystem ferner mit einem elektrischen Antrieb versehen, der mit dem Kältekreis-Kompressor mechanisch gekoppelt ist. Dadurch könnte im Bodenbetrieb des Luftfahrzeugs und bei Stillstand der Triebwerke der Kältekreis-Kompressor durch den elektrischen Antrieb komplett oder unterstützend angetrieben werden. Dies erweitert den Einsatzbereich des Klimatisierungssystems.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Klimatisierungssystem vorgesehen, welches des Weiteren einen Kaltluftverteiler hat, der mehrere parallel zueinander geschaltete Kältekreisstränge aufweist, in denen jeweils ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der in einem dem jeweiligen Kältekreisstrang zugeordneten Luftströmungskanal positioniert ist, so dass eine Luftströmung zur Klimatisierung jeweils eines bestimmten Luftfahrzeugbereichs separat anpassbar bzw. konditionierbar ist. Durch diese Ausführungsform wird ein Hybridluftkühlsystem geschaffen, bei dem eine Frischluftzufuhr und ein weiteres Kühlsystem mit einer Zonentemperatursteuerung kombiniert ist. Ferner erlaubt dies die Kombination von Systemen, wie beispielsweise einer Zusatzkühlung („supplemental cooling”), einem Luftverteilungssystem, einer Kabinenzonentemperaturregulierung und einer Avionikkühlung. Außerdem war es bei bisheriger Luft-Luft-Kühlung, ohne den hier vorgeschlagenen Dampf-Kältekreis, notwendig, die in die Passagierkabine geblasene Zapfluft auf die Kabinenzone mit dem niedrigsten Temperaturbedarf anzupassen, d. h. die wärmste Kabinenzone bestimmte die angeforderte Kühlleistung. Die bereitgestellte kalte Zapfluft ist für die übrigen Kabinenzonen, die kälter waren, jedoch zu kalt, so dass in diese übrigen Kabinenzonen wiederum zusätzlich soviel heiße Trimmluft („trim air”) eingeblasen werden muss, dass die Zieltemperatur erreicht werden kann. Durch diese Ausführungsform kann der Vorteil einer Kabinenzonenkühlung erreicht werden. So kann jede Zone individuell direkt und ohne die Verwendung von Trimmluft auf die Zieltemperatur gekühlt werden. Bei dieser Ausführungsform ersetzt eine Kältekreis-Zonenkühlung das Trimmluftsystem. Diese Einsparung der Trimmluft verringert den Energieverbrauch verglichen mit heutigen Klimatisierungssystemen. Zusätzlich wird der Energieverbrauch dadurch gesenkt, dass der Zapfluftstrom nicht mehr auf die Kabinenzone mit dem höchsten Energiebedarf angepasst werden muss, wodurch der Zapfluftdruck gesenkt werden kann und weniger Stauluft benötigt wird. Heiße Trimmluftleitungen werden überflüssig und erleichtern den Einbau und die Verwendung von weniger hitzebeständigen Materialien.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat das Klimatisierungssystem ferner einen ersten Kältekreisabschnitt, in dem der erste Wärmeübertrager angeordnet ist, und einen zweiten Kältekreisabschnitt, in dem der zweite Wärmeübertrager und die Kältekreis-Turbine angeordnet sind, wobei der erste und zweite Kältekreisabschnitt parallel zueinander geschaltet sind. Dieses hat den bereits erwähnten Vorteil, den die Einbindung einer Kältekreis-Turbine mit sich bringt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Klimatisierungssystem so ausgelegt, dass ein Kältemittel im Kältekreis nach einem Kältemittelreservoir und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers bezogen auf eine vorgesehene Kältemittelströmungsrichtung größtenteils, vorzugsweise mehr als 90%, in einem flüssigen Aggregatszustand vorliegt. Dies erhöht die Effizienz des Systems, weil durch die Kältemittel-Druckluft-Wärmeübertragung mit besserem Wirkungsgrad gekühlt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Klimatisierungssystem mit einem dritten Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung versehen, von dem ein Durchgang bezogen auf eine vorgesehene Druckluftströmungsrichtung stromaufwärts des ersten Wärmetauschers und ein davon getrennter Durchgang bezogen auf eine vorgesehene Druckluftströmungsrichtung nach der Druckluft-Turbine in den Druckluftstrang geschaltet ist. Durch diesen dritten Wärmeübertrager kann die Druckluft, bevor sie in die Kabine geblasen wird, wieder von dem nach der Druckluft-Turbine vorliegenden sehr kalten Temperaturniveau, beispielsweise –17°C bis –30°C, auf ein für die Passagiere angenehmes Niveau erwärmt werden. Außerdem kann somit Eisbildung am Kabinenluftauslass verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Klimatisierungssystem des Weiteren mit einem im Kältekreis angeordneten Kältemittelreservoir zum Speichern von Kältemittel versehen. Dadurch kann flüssiges Kältemittel im Kältekreis verwendet werden. Außerdem dient das Kältemittelreservoir als Ausgleichsbehälter zur Kompensation von Volumenänderungen des Kältemittels.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Klimatisierungssystem einen Wasserabscheider zur Entnahme von Wasser aus dem Druckluftstrang auf, welches dem Stauluftkanal zuführbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das Wasser im Stauluftkanal beim Auftreffen auf den Kondensator durch seine niedrige Temperatur sehr viel Wärmeenergie aufnehmen kann und zur guten Kühlung des im Kältekreis befindlichen Kältemittels dient.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das Klimatisierungssystem einen einzelnen Stauluftkanal, der zwei Stauluft-Wärmeübertrager enthält, von denen jeder einem Kältekreis eines unterschiedlichen Klimaaggregats zugeordnet ist. Wie bereits vorstehend erwähnt, ermöglicht die Erfindung, dass im Stauluftkanal ein Wärmetauscher kleinerer Abmessung verbaut werden kann. Somit ist eine Zusammenfassung der beiden Stauluft-Wärmeübertrager möglich, was bisher abmessungsbedingt nicht realisierbar war. Außerdem hat ein einzelner Stauluftkanal den Vorteil, anstatt der sonst notwendigen zwei Gebläse nunmehr ein einziges gemeinsames Gebläse verwenden zu können. Dies könnte einen größeren Durchmesser aufweisen, würde weniger Strom benötigen und wäre wirtschaftlicher.
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Durch einzelne und eine Kombination der vorhergehenden Ausführungsformen kann insgesamt eine Verringerung des Gesamtgewichts des Klimatisierungssystems erreicht werden.
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Die oben genannten Vorteile lassen sich auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Klimatisieren eines Luftfahrzeugs und mit einem Luftfahrzeug mit solch einem Klimatisierungssystem erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Luftfahrzeug bereit, bei dem das Klimatisierungssystem so im Luftfahrzeug untergebracht ist, dass sich zwischen dem Stauluftkanal und einem Klimaaggregat, welches den ersten Wärmeübertrager enthält, ein Fracht- und/oder Passagierraumbereich befindet. Dies bietet die oben genannten Vorteile des modularen Aufbaus und der damit einhergehenden flexiblen Positionierungsmöglichkeit des Klimatisierungssystems.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt einen schematischen Aufbau des Klimatisierungssystems für Luftfahrzeuge; und
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2 zeigt ein schematisches Schaubild des Klimatisierungssystems als redundant ausgeführtes Gesamtsystem.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination Aspekte der Erfindung – auch unabhängig von deren konkret beanspruchter Kombination oder Rückbezügen der Ansprüche. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente. Angaben wie „stromaufwärts”, „stromabwärts”, „vorgeschaltet” oder „nachgeschaltet” beziehen sich jeweils auf die vorgesehene Fluidströmungsrichtung im jeweiligen Druckluftstrang, Kältemittelkreis oder Stauluftkanal.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau des Klimatisierungssystems für Luftfahrzeuge. Stellvertretend für Luftfahrzeuge zeigt diese Darstellung ein Flugzeug 1 mit einer Druckkabine 2 und Triebwerken 3. In einem Heckbereich 4 des Flugzeugs 1, der in Flugrichtung hinter einem Passagierraum angeordnet ist, sind aus Redundanzgründen zwei Klimaaggregate 5 angeordnet, von denen eines in 1 mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet ist und nachfolgend genauer erläutert wird. In einem Flugzeugbauchschacht 6, d. h. einem Unterflurzentrumsbereich des Rumpfs zwischen den beiden Tragflächen, ist ein nicht-druckbeaufschlagter Schacht im Flugzeugbauch („UBV – Unpressurized Bay Ventilation”) angeordnet, der in 1 mit einer gestrichelten Linie 7 umrahmt ist. Das Klimatisierungssystem weist einen Druckluftstrang 8 und einen hermetisch davon getrennten Kältekreis 9 auf, wobei es sich um Leitungssysteme handelt in denen die nachfolgend beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Einem Eingang 10 des Druckluftstrangs 8 ist Druckluft zuführbar, wobei es sich vorzugsweise um Zapfluft handelt, die in bekannter Art und Weise einem Triebwerk 3 oder einer nicht dargestellten Hilfsgasturbine („APU”) entnommen werden kann. Einem Ausgang 11 des Druckluftstrangs 8 ist konditionierte Frischluft entnehmbar. Im Druckluftstrang 8 ist ein dritter Wärmeübertrager 12 zur Wärmerückgewinnung, ein Verdampfer 13 als zweiter Wärmeübertrager gemäß Anspruchswortlaut sowie ein Verdampfer 14 als erster Wärmeübertrager gemäß Anspruchswortlaut in dieser Reihenfolge seriell hintereinandergeschaltet, bezogen auf eine vorgesehene Strömungsrichtung der Druckluft. Diesen drei seriell hintereinandergeschalteten Wärmeübertragern 12, 13, 14 ist ein Strömungssteuerventil 15 vorgeschaltet, mit dem der Volumenstrom an Druckluft gesteuert werden kann. Dem Verdampfer 14 ist ein Wasserabscheider 16 nachgeschaltet, mittels dem Wasser 17 aus dem Druckluftstrang 8 entnehmbar und einem Stauluftkanal 18 zuführbar ist. Weiter stromabwärts, d. h. dem Wasserabscheider 16 nachgeschaltet, ist eine Druckluft-Turbine 19 im Druckluftstrang 8 vorgesehen. Nach Durchströmen der Druckluft-Turbine 19 führt der Druckluftstrang 8 wieder in den Wärmeübertrager 12, diesmal jedoch durch den hermetisch getrennt von dem oben erwähnten stromaufwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12. Nachfolgend werden die beiden getrennten Stränge des Wärmeübertragers 12 als stromaufwärtiger und stromabwärtiger Durchgang unterschieden. Nach dem Verlassen des stromabwärtigen Durchgangs des Wärmeübertragers 12 führt der Druckluftstrang 8 weiter zum Ausgang 11. Ausgangsseitig des Strömungssteuerventils 15 ist eine Bypassleitung 20 angeschlossen, welche die Ausgangsseite des Strömungssteuerventils 15 direkt mit dem Ausgang 11 verbindet und dabei die übrigen, vorstehend beschriebenen Komponenten des Druckluftstrangs 8 umgeht. In dieser Bypassleitung 20 ist ein Temperatursteuerventil 21 vorgesehen, welches die Steuerung der Temperatur der konditionierten Kabinenfrischluft unterstützt. Je weiter das Temperatursteuerventil 21 geöffnet wird, desto mehr heiße Druckluft umgeht die kühlenden Komponenten Wärmeübertrager 12, Verdampfer 13, Verdampfer 14 und Druckluft-Turbine 19 und führt somit zu einer Erwärmung der konditionierten Frischluft.
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Hermetisch getrennt von diesem Druckluftstrang 8 ist der geschlossene Kältekreis 9 vorgesehen. In diesem Kältekreis 9 ist ein Kältemittelreservoir 22 vorgesehen, in dem Kältemittel im flüssigen Aggregatszustand speicherbar ist. Stromabwärts des Kältemittelreservoirs 22 zweigt sich der Kältekreis in zwei parallel verlaufende Kältekreisabschnitte auf. Im ersten dieser Kältekreisabschnitte ist ein Kälteventil 23 vorgesehen. Diesem Kälteventil 23 ist ein Restriktor 24 nachgeschaltet. Stromabwärts des Restriktors 24 durchläuft dieser Kältekreisabschnitt den Verdampfer 14 in einem Kältekreisdurchgang des Verdampfen 14, der hermetisch von dem Druckluftdurchgang des Verdampfers 14 getrennt ist. Ausgangsseitig des Kältekreisdurchgangs des Verdampfers 14 passiert der Kältekreis 9 einen Kältekreis-Kompressor 25. Parallel zu diesem beschriebenen Kältekreisabschnitt, welcher das Kälteventil 23, den Restriktor 24 und den Verdampfer 14 enthält, verläuft der zweite der oben erwähnten parallelen Kältekreisabschnitte. Dieser zweigt eingangsseitig des Kälteventils 23 ab und durchläuft einen Kältekreisdurchgang des Verdampfers 13, der hermetisch getrennt vom Druckluftdurchgang des Verdampfers 13 vorgesehen ist. Ausgangsseitig des Verdampfers 13 führt der Kältekreis 9 weiter zu einer Kältekreis-Turbine 26, deren Ausgang mit dem Eingang des Kältekreis-Kompressors 25 verbunden ist, so dass an dieser Stelle die beiden parallelen Kältekreisabschnitte zusammengeführt werden. Die Kältekreis-Turbine 26, der Kältekreis-Kompressor 25 und die Druckluft-Turbine 19 sind über eine gemeinsame Antriebswelle 27 mechanisch miteinander gekoppelt. Ferner ist an diese gemeinsame Antriebswelle 27 auch ein elektrischer Antrieb, z. B. ein Elektromotor, ankoppelbar, der bedarfsweise die Antriebswelle 27 alleine oder unterstützend antreibt und somit den Kältekreis-Kompressor 25 antreiben kann.
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Ausgangsseitig des Kältekreis-Kompressors 25 führt der Kältekreis 9 weiter zu einem Kondensator 29, oder allgemein einem Wärmeübertrager, der in dem Stauluftkanal 18 angeordnet ist. Der Stauluftkanal 18 ist ein im Flugzeugbauch vorgesehener Luftschacht, der ausgehend von der Außenkontur des Flugzeugrumpfes nach innen geführt und, in Flugzeuglängsrichtung gesehen, an einer weiter hinten liegenden Stelle wieder nach außen geführt ist. Der im Flug erzeugte Luftstrom führt zur Kühlung des Kondensators 29, so dass dort Wärmeenergie an die das Flugzeug umströmende Luft abgegeben werden kann. Stromaufwärts des Kondensators 29 ist im Stauluftkanal 18 ein Wasserinjektor 30 angeordnet, mit dem das vom Wasserabscheider 16 kommende Wasser 17 in den Stauluftkanal 18 eingespritzt werden kann, so dass es von der Luftströmung mitgerissen wird und auf den Kondensator 29 trifft. Zur Erzeugung einer zusätzlichen Strömung oder zur Erzeugung einer Strömung falls sich das Flugzeug 1 am Boden befindet, ist ein Gebläse 31 im Stauluftkanal 18 stromabwärts des Kondensators 29 vorgesehen. Ausgangsseitig ist der Kondensator 29 mit dem Kältemittelreservoir 22 verbunden. Alternativ oder zusätzlich zur Abgabe der Wärmeenergie über den Kondensator 29 an die umströmende Luft, könnte diese Wärmeenergie (Druckluftwärme und im später erläuterten Ausführungsbeispiel aus 2 auch Kabinenwärme) auch für Flugzeugsysteme genutzt werden, wo Wärmeenergie benötigt wird. Beispielsweise könnte die Wärmeenergie ganz oder teilweise zur Trinkwassererwärmung oder allgemein zur Enthalpieanhebung von Wärmeenergieträgern genutzt werden. Dazu wäre im Kältekreis 9 seriell zum Kondensator 29, vorzugsweise davor oder danach, ein weiterer Kondensator vorgesehen, der in einem Kanal angeordnet ist, welcher das zu erwärmende Medium selbst oder eine Luftströmung führt, welche das zu erwärmende Medium erwärmt. Denkbar wäre auch ein Ausführungsbeispiel, bei dem ganz auf den Stauluftkanal 18 verzichtet wird und die Wärmeenergie ausschließlich innerhalb des Flugzeugs 1 zur Enthalpieanhebung von Wärmeenergieträgern genutzt wird.
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Der am Eingang 10 sehr heiße Druckluftstrom, von etwa 200°C, durchströmt das Strömungssteuerventil 15, mit dem wie bereits erwähnt, der Volumenstrom reguliert werden kann und passiert in dieser Reihenfolge den Druckluftdurchgang des Wärmeübertragers 12, den Druckluftdurchgang des Verdampfers 13 und den Druckluftdurchgang des Verdampfers 14, so dass der Druckluftstrom durch diese drei Komponenten derart gekühlt wird, dass er ausgangsseitig des Verdampfers 14 mit sehr viel niedrigerer Temperatur vorliegt, beispielsweise 15°C. In diesem stark gekühlten Druckluftstrom liegt auskondensiertes Wasser vor, welches über den Wasserabscheider 16 zum Wasserinjektor 30 geführt werden kann und dort bei Auftreffen auf den Kondensator 29 durch seine niedrige Temperatur viel Wärmeenergie aufnehmen kann und die Kühlung des im Kältekreises 9 befindlichen Kältemittels unterstützt. Stromabwärts des Wasserabscheiders 16 trifft der gekühlte Druckluftstrom auf die Druckluft-Turbine 19 und wird in dieser expandiert. Dadurch steht einerseits mechanische Leistung zur Verfügung, die über die gemeinsame Antriebswelle 27 zum Antrieb des Kältekreis-Kompressors 25 genutzt wird und andererseits eine weitere Kühlung des Druckluftstroms bewirkt. Stromabwärts der Druckluft-Turbine 19 wird die Druckluft im Druckluftstrang 8 weiter zum Wärmeübertrager 12 geführt, in dem im stromabwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12 die stark gekühlte Druckluft auf die im stromaufwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12 strömende sehr heiße Druckluft trifft. Dies führt zu einer Erwärmung der den stromabwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12 verlassenden Druckluft und zu einer Abkühlung des den stromaufwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12 durchströmenden Druckluft. Schließlich wird die konditionierte Kabinenfrischluft nach Verlassen des stromabwärtigen Durchgangs des Wärmeübertragers 12 am Ausgang 11 in die Druckkabine des Flugzeugs 1 abgegeben und zur Klimatisierung genutzt.
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Im Kältekreis 9 liegt das Kältemittel im Kältemittelreservoir 22 zunächst in einem flüssigen Aggregatszustand und mit einer Temperatur von beispielsweise 30°C bis 35°C vor. Von dort verzweigt sich das Kältemittel einerseits zum Kälteventil 23 und andererseits zur Eingangsseite des Kältekreisdurchgangs des Verdampfers 13. Über das Kälteventil 23 und dem diesem nachgeschalteten Restriktor 24 kann der Kältemittelvolumenstrom reguliert werden, welcher den Kältekreisdurchgang des Verdampfers 14 durchlauft. Dies bewirkt im Kältemittel, welches den Verdampfer 13 passiert, einen höheren Druck als im Kältemittel, welches den Verdampfer 14 durchströmt. Beim Passieren der Verdampfer 13 und 14 wird das Kältemittel verdampft und liegt an deren Ausgängen in einem gasförmigen Aggregatszustand und mit hoher Temperatur vor. Der Kältemitteldampf, welcher den Verdampfer 14 verlässt, wird im Kältekreis-Kompressor 25 komprimiert und somit noch weiter erhitzt. Die Leistung für die Kompression kommt größtenteils durch die Druckluft-Turbine 19, d. h. durch die Expansion der Druckluft im Druckluftstrang 8. Der Kältemitteldampf, welcher den Verdampfer 13 verlässt, trifft auf die Kältekreis-Turbine 26 und wird dort expandiert, wodurch dieser einerseits gekühlt wird und andererseits mechanische Leistung frei wird, die über die gemeinsame Antriebswelle 27 zum Antrieb des Kältekreis-Kompressors 25 genutzt wird und somit die Druckluft-Turbine 19 beim Antrieb des Kältekreis-Kompressors 25 unterstützt. Der den Kältekreis-Kompressor 25 verlassende Kältemitteldampf wird im Kondensator 29 stark abgekühlt und kondensiert, so dass er ausgangsseitig des Kondensators 29 wieder im flüssigen Aggregatszustand vorliegt. Dieses flüssige Kältemittel wird erneut dem Kältemittelreservoir 22 zugeführt und steht wieder zur Kühlung des Druckluftstroms zur Verfügung.
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2 zeigt ein schematisches Schaubild des Klimatisierungssystems, wobei aus Redundanzgründen zwei Klimaaggregate 32 und 33 sowie ein aus zwei Stauluftkanalhälften aufgebauter Stauluftkanal 34 vorgesehen sind. Über 1 hinausgehend ist in 2 ein Kaltluftverteiler 35 vorgesehen, der mit einer gestrichelten Linie umrahmt ist. Dieser Kaltluftverteiler („cold air manifold”) ist im Flugzeug 1 in einem Unterflurbereich 36 (siehe 1) direkt vor dem Heckbereich 4 angeordnet.
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Das Klimaaggregat 32 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau und der Funktion des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Klimaaggregats 5, so dass die Beschreibung des Klimaaggregates 5 vollumfänglich auf das Klimaaggregat 32 zutrifft. Zusätzlich zur Darstellung in 1 ist in 2 die Steuerverknüpfung des Kälteventils 23 und des Temperatursteuerventils 21 mit Linien 37 eingezeichnet, die andeuten, dass die Regelung des Temperatursteuerventils 21 und die des Kälteventils 23 von zumindest einer Regelgröße 38 am Ausgang 11 des Druckluftstroms abhängen. Oder in anderen Worten ausgedrückt, dass das Temperatursteuerventil 21 und das Kälteventil 23 zumindest teilweise abhängig vom Zustand der konditionierten Kabinenfrischluft geregelt wird. In der Praxis sind aus Redundanzgründen zwei Klimaaggregate mit vorzugsweise identischem Aufbau vorgesehen. An dieser Stelle soll jedoch eine Abwandlungsmöglichkeit der Klimaaggregate gezeigt werden. So weist das Klimaaggregat 33 zusätzlich zum Aufbau des Klimaaggregats 32 einen weiteren Wärmeübertrager 39 zur Wärmerückgewinnung auf, von dem ein Durchgang im Druckluftstrang 8 zwischen Wasserabscheider 16 und Druckluft-Turbine 19 geschaltet ist und dessen hermetisch davon getrennter Durchgang parallel zum stromaufwärtigen Durchgang des Wärmeübertragers 12 angeordnet ist. Dem zuletzt genannten Durchgang des Wärmeübertragers 39 ist ein Strömungssteuerventil 40 vor- oder nachgeschaltet, um das Aufteilungsverhältnis des Volumenstroms an die jeweiligen Wärmeübertrager 12 und 39 einzustellen. Der Wärmeübertrager 39 bietet zusätzliche Regelungsmöglichkeiten, um einen optimaleren Klimatisierungsprozess zu verwirklichen.
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Der Stauluftkanal 34 in 2 besteht im Wesentlichen aus zwei spiegelbildlich aufgebauten Stauluftkanalhälften, von denen jede dem Aufbau des Luftkanals 18 aus 1 entspricht. Der modulare Aufbau des Klimatisierungssystems und die damit verbundene Platzierungsmöglichkeit des Stauluftkanals 34 getrennt von den Klimaaggregaten 32, 33 ermöglicht, die redundanten Luftkanalhälften in einem gemeinsamen Stauluftkanal 34 zusammenzufassen. Alternativ zu dem Aufbau aus zwei spiegelbildlich aufgebauten Stauluftschachthälften, von denen jede dem Aufbau des Luftkanals 18 aus 1 entspricht, könnte anstatt der zwei Gebläse 31 nur ein einziges gemeinsames Gebläse verwendet werden. Dies könnte einen größeren Durchmesser aufweisen, würde weniger Strom benötigen und wäre wirtschaftlicher.
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Der Kaltluftverteiler 35 ist parallel zur Ausgangsseite des Kondensators 29 und zur Eingangsseite des Kältekreis-Kompressors 25 geschaltet. Somit werden die beiden vom Ausgang des Kondensators 29 kommenden redundanten Leitungen in den Kaltluftverteiler 35 geführt, wo zunächst jeder dieser beiden Stränge mit einer Drossel 41 versehen ist, mit der der Volumenstrom, der in den Kaltluftverteiler 35 geführt werden soll, im Verhältnis zum Volumenstrom, der den Verdampfern 13 und 14 zugeführt werden soll, eingestellt werden kann. Nach den beiden Drosseln 41 sind die Zuleitungen zusammengeführt und treffen auf ein Absperrventil 42, mit dem der parallel zu den Klimaaggregaten 32 und 33 geschaltete Kaltluftverteiler 35 vom Klimatisierungsprozess ausgeschlossen werden kann. Stromabwärts des Absperrventils 42 ist ein Eingangsreservoir 43 vorgesehen, mittels dem dampfförmige und flüssige Bestandteile des Kältemittels voneinander getrennt werden können. Nach dem Eingangsreservoir 43 wird der Kältemittelstrom in parallele Stränge aufgeteilt, die allesamt gleich aufgebaut sind. Jeder dieser Stränge dient zur Kühlung eines unterschiedlichen Systems und/oder einer unterschiedlichen Kabinenzone. Eingangsseitig ist jeder dieser Stränge mit einem Strömungssteuerventil 44 versehen, mit dem der Volumenstrom regelbar ist. Diesem nachgeschaltet ist ein Wärmeübertrager 45, der eine Luftströmung 46 in einem Luftströmungskanal 47 kühlt. Die Luftströmung 46 kann zu unterschiedlichen Systemen, wie beispielsweise einem Temperatursteuersystem („TCS – Temperature Control System”), einer Rezirkulationsluftkühlung („RC – Recirculation Air Controlling”), einem Zusatzkühlsystem („SCS – Supplemental Controlling System”), einem Avionikkühlsystem („AVCS – Avionics Cooling System”) oder einem Kühlsystem für Inertgaserzeugung („CSAS – Conditioned Service Air Supply”) zugeführt werden. Es kann sich bei der Luftströmung 46 beispielsweise um Rezirkulationsluft handeln, die aus einer bestimmten Kabinenzone abgesaugt wird und nach dem Passieren des Wärmeübertragers 45 wieder der entsprechenden Kabinenzone zugeführt wird. Das Kältemittel ist somit nicht nur der Energieträger zur Kühlung der Druckluft (vorzugsweise Zapfluft), sondern auch für die Kabinenwärme die über die Rezirkulationsluft aus der Kabine entzogen werden kann. In dem Luftströmungskanal 47 ist in Luftströmungsrichtung gesehen stromabwärts des Wärmeübertragers 45 jeweils ein Wasserabscheider 48 vorgesehen, der den Wasseranteil aus der Luftströmung entnimmt und einem Wasserkollektor 49 zuführt. Aus diesem Wasserkollektor 49 wird Wasser 50 über eine Leitung und mit Hilfe einer Pumpe 51 zum im Stauluftkanal 34 angeordneten Wasserinjektor 30 gefördert. Ausgangsseitig sind die Wärmeübertrager im Kältemittelstrang miteinander verbunden und führen zu einem Ausgangsreservoir 52, in dem eine Trennung des Kältemittels in dampfförmige und flüssige Bestandteile verwirklicht wird. Die Ausgangsseite des Ausgangsreservoirs 52 zweigt sich auf, wobei ein Zweig zur Eingangsseite des Kältekreis-Kompressors 25 des Klimaaggregats 32 und der andere Zweig zur Eingangsseite des Kältekreis-Kompressors 25 des Klimaaggregats 33 führt.
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Über eine Ausgleichsleitung 53 ist der Kältekreis 9 des Klimaaggregats 32 und der Kältekreis 9 des Klimaaggregats 33 miteinander verbunden, so dass Kältemittel zwischen diesen Kältekreisen ausgetauscht werden kann. Sollte in einem Fehlerfall oder bei Ausfall eines dieser Klimaaggregate 32, 33 abgeschaltet werden müssen, so kann über Absperrventile 54–58 eine Abtrennung des jeweiligen Klimaaggregats 32, 33 verwirklicht werden. Soll das Klimaaggregat 32 vom Kühlprozess ausgeschlossen werden, so werden die Absperrventile 54, 55 und 57 geschlossen. Zur Abtrennung des Klimaaggregats 33 müssten die Absperrventile 54, 56 und 58 geschlossen werden.
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In anderen Worten ausgedrückt, lassen sich der Aufbau und die Funktion des Klimatisierungssystems wie folgt beschreiben. Das Klimatisierungssystem ist in einen Luftkreis und einen Dampfkreis aufgeteilt. Im Luftkreis kühlt ein Luft-zu-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung die druckbeaufschlagte Zapfluft. Die Luft wird in einem Verdampfer erster Stufe und einem Verdampfer zweiter Stufe gekühlt. Stromabwärts des Verdampfers zweiter Stufe wird Luft in einer Luftturbine expandiert, welche die technische Leistung für den Dampfkreisprozess bereitstellt. Im Dampfkreisprozess saugt ein Kompressor Kältemitteldampf an und erhöht dessen Druckniveau. Der druckbeaufschlagte Dampf wird einem Kondensator zugeführt, der in einem Stauluftkanal angeordnet ist, wobei der Stauluftkanal wiederum in einer Flugzeugbauchverkleidung untergebracht ist. Der Kondensator gibt die Wärmeenergie in die Stauluft ab, die durch den Stauluftkanal gesaugt wird. Dabei wird im Bodenbetrieb die Luft von einem elektrischen Gebläse durch den Stauluftkanal gesaugt. Die Kältemittelflüssigkeit wird in ein Reservoir geleitet, welches sich stromabwärts des Kondensators befindet. Ein Kälteventil ist zur Regulierung des flüssigen Kältemittelmassenstroms zu einem Restriktor vorgesehen, um die Kühlleistung des daran anschließenden Verdampfers zweiter Stufe einzustellen. Die Flüssigkeit wird im Verdampfer zweiter Stufe verdampft und dann in einen Dampfkreis-Kompressor gesaugt. Der Verdampfer zweiter Stufe wird oberhalb einer Temperatur von 10°C betrieben, wodurch bei Bodenbedingungen und den mit diesen zusammenhängenden Heizprozessen kein Eis gebildet wird, wie bei gewöhnlichen Dampfkreisprozessen, und genügend freies Wasser vor der Turbine abgeschieden wird. Flüssiges Kältemittel wird auch zu dem Verdampfer erster Stufe geleitet, wo die Flüssigkeit verdampft wird und anschließend in der Dampfkreis-Turbine expandiert. Die technische Leistung, die von der Dampfkreis-Turbine bezogen wird, wird dazu verwendet, die Leistungsfähigkeit des Dampfkreis-Kompressors zu erhöhen. Das Klimatisierungssystem kann in zwei Teile aufgesplittet werden. Der zapfluftgetriebene Luftkreisprozess wird nahe den Triebwerken installiert, um lange, heiße Zapfluftleitungen zu vermeiden. Mittel zur Wärmeabgabe im Bezug auf den Luftkühlungsprozess, sind an der Stelle am Flugzeug platziert, an der der höchste Stauluftdruck erreicht werden kann.
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Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem lässt sich auch mit anderen Luftfahrzeugsystemen kombinieren. So kann das Hybridsystem auf Grund des integrierten Luftkreisprozesses die Kühlleistung durch eine separate Begrenzungsventileinheit mit dem Zusatzkühlsystem (Galley-Kühlung) teilen, um beispielsweise ein Kältemittel zu kühlen. Außerdem kann das System als Kühlsystem zur Inertgaserzeugung („Cooled-Service-Air-Supply”) dienen, um Inertgas zur Einleitung in die Treibstofftanks zu erzeugen. Dies führt zur Verringerung von Komponenten für ein Kühlsystem zur Inertgaserzeugung (CSAS-Komponenten).
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Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eine der obigen Weiterentwicklungen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfahrzeug, vorzugsweise Flugzeug
- 2
- Druckkabine
- 3
- Triebwerk
- 4
- Heckbereich
- 5
- Klimaaggregat
- 6
- Flugzeugbauchschacht
- 7
- Nicht-druckbeaufschlagter Schacht („UBV-Unpressurized Bay Ventilation”)
- 8
- Druckluftstrang
- 9
- Kältekreis
- 10
- Drucklufteingang
- 11
- Druckluftausgang
- 12
- Dritter Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung
- 13
- Zweiter Wärmeübertrager, vorzugsweise Verdampfer
- 14
- Erster Wärmeübertrager, vorzugsweise Verdampfer
- 15
- Strömungssteuerventil
- 16
- Wasserabscheider
- 17
- Wasser
- 18
- Stauluftkanal
- 19
- Druckluft-Turbine
- 20
- Bypassleitung
- 21
- Temperatursteuerventil
- 22
- Kältemittelreservoir
- 23
- Kälteventil
- 24
- Restriktor
- 25
- Kältekreis-Kompressor
- 26
- Kältekreis-Turbine
- 27
- Antriebswelle
- 28
- Elektrischer Antrieb
- 29
- Stauluftkanal-Wärmeübertrager, vorzugsweise Kondensator
- 30
- Wasserinjektor
- 31
- Gebläse
- 32
- Klimaaggregat
- 33
- Klimaaggregat
- 34
- Stauluftkanal
- 35
- Kaltluftverteiler
- 36
- Unterflurbereich
- 37
- Steuerverknüpfung
- 38
- Regelgröße
- 39
- Wärmeübertrager
- 40
- Strömungssteuerventil
- 41
- Drossel
- 42
- Absperrventil
- 43
- Eingangsreservoir
- 44
- Strömungssteuerventil
- 45
- Wärmeübertrager
- 46
- Luftströmung
- 47
- Luftströmungskanal
- 48
- Wasserabscheider
- 49
- Wasserkollektor
- 50
- Wasser
- 51
- Pumpe
- 52
- Ausgangsreservoir
- 53
- Ausgleichsleitung
- 54
- Absperrventil
- 55
- Absperrventil
- 56
- Absperrventil
- 57
- Absperrventil
- 58
- Absperrventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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