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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Kühlsystem und ein Verfahren zum Kühlen in einem Fahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Fahrzeugen und insbesondere in Verkehrsflugzeugen sind eine Reihe von Kühlaufgaben durch Kühlsysteme zu bewältigen. Neben der Kühlung großer Luftmengen zur Kabinenklimatisierung sind auch andere Wärme erzeugende Einrichtungen zu kühlen, die insbesondere elektrische und elektronische Geräte betreffen. Übliche Klimaanlagen von Verkehrsflugzeugen basieren auf Kühlmaschinen, die ein Luftkreislaufverfahren (Joule-Thomson-Prozess) und/oder ein Verdampferkreislaufverfahren (Clausius-Rankine-Prozess) ausführen. Diese Kreisläufe erfordern den Betrieb von Verdichtern, die entweder elektrisch oder über Zapfluft, beispielsweise aus Flugzeugtriebwerken, mit der für den Betrieb notwendigen Leistung versorgt werden. Dies kann sich jedoch nachteilig auf den Treibstoffverbrauch des Fahrzeugs auswirken.
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DE 199 36 641 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kabinenbereichs eines Passagierflugzeugs mittels von außen zugeführter Frischluft und Zapfluft von einem Triebwerk.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung liegt dementsprechend darin, ein Fahrzeug mit einem Kühlsystem zum Kühlen von Wärme abgebenden Einrichtungen und ein Verfahren zum Kühlen von Wärme erzeugenden Einrichtungen in einem Fahrzeug vorzuschlagen, bei denen eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs des Fahrzeugs ermöglicht wird.
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Die Aufgabe bezüglich des Fahrzeugs wird mit einem Fahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Das Kühlsystem des Fahrzeugs weist einen Absorbenskreislauf auf, in dem ein flüssiges Absorbens zirkuliert. Der Absorbenskreislauf weist einen Absorbertank, einen Regeneratortank, eine Absorbenspumpe und ein erstes Druckreduktionsmittel auf. Der Absorbertank ist mit einem Absorbertankausgang über die Absorbenspumpe mit einem Regeneratortankeingang verbunden. Ein Regeneratortankausgang ist über das erste Druckreduktionsmittel mit einem Absorbertankeingang verbunden. Zusätzlich weist das Kühlsystem einen Kältemittelkreislauf auf, in dem ein Kältemittel zirkuliert wird. Der Kältemittelkreislauf weist einen Kondensator, der mit einem Dampfauslass des Regeneratortanks verbunden ist, ein zweites Druckreduktionsmittel und einen Verdampfer auf, wobei der Verdampfer mit einem Dampfeinlass des Absorbertanks und über das zweite Druckreduktionsmittel mit dem Kondensator verbunden ist. Der Regeneratortank ist dazu eingerichtet, das in dem Absorbens gelöste Kältemittel unter Aufnahme einer ersten Wärmemenge zu desorbieren und dampfförmig in den Kondensator einzuleiten. Der Verdampfer ist dazu eingerichtet, das Kältemittel unter Aufnahme einer zweiten Wärmemenge zu verdampfen und dampfförmig in den Absorbertank einzuleiten. Zumindest eine der ersten und der zweiten Wärmemenge ist von einer Wärme abgebenden Einrichtung des Fahrzeugs abgebbar.
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Dieses Kühlsystem basiert auf einem Clausius-Rankine-Prozess, der ohne mechanischen Verdichter betreibbar ist. Als eine Leistung aufnehmende Komponente ist lediglich eine Absorbenspumpe vorgesehen, die vorzugsweise über einen Elektromotor betrieben wird. Sämtliche anderen Komponenten werden durch die erste und zweite Wärmemenge betrieben. Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird nachfolgend erläutert.
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Der Absorbertank ist mit einem flüssigen Absorbers gefüllt, das dazu eingerichtet ist, ein Kältemittel zu absorbieren. Das Kältemittel als Absorbat wird über einen Dampfeinlass dampfförmig in den Absorbertank eingeleitet und gerät dabei in Lösung mit dem dort vorhanden flüssigen Absorbens. Dieser Vorgang kann theoretisch so lange durchgeführt werden, bis eine Sättigung des Absorbens erreicht wird. Um dies zu verhindern, wird der flüssige Absorbens mit dem darin gelösten Kältemittel über die Absorbenspumpe stets in den Regeneratortank eingeleitet und durch einen weitgehend reinen Absorbens ersetzt.
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Bei der Förderung des Absorbens steigt der Druck des Absorbens zu dem Regeneratortank hin an, so dass dort ein höheres Druckniveau herrscht als im Absorbertank. Nachfolgend wird die Gesamtheit der Komponenten des Kühlsystems, die mit diesem höheren Druck beaufschlagt sind, als Hochdruckseite bezeichnet, während die verbleibenden Komponenten zu einer Niederdruckseite gehören.
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Durch die Einleitung der ersten Wärmemenge in den Regeneratortank wird das Kältemittel durch Desorption aus dem flüssigen Absorbens wieder herausgelöst und kann am Dampfauslass des Regeneratortanks austreten. Das Kältemittel weist bevorzugt einen so niedrigen Siedepunkt auf, dass er problemlos aus dem Absorbens durch einen Wärmeeintrag lösbar ist.
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Das dampfförmige Kältemittel strömt auf der Hochdruckseite zu dem Kondensator und gibt dort seine Wärme durch Kondensation wieder ab. Diese Wärmeabgabe könnte bevorzugt an die Umgebung des Kühlsystems bzw. des Fahrzeugs an sich durchgeführt werden oder auch für andere Wärme konsumierende Einrichtungen genutzt werden. Das nun flüssige Kältemittel gelangt über das zweite Druckreduktionsmittel zu der Niederdruckseite in den Verdampfer, wo er unter Einwirkung der zweiten Wärmemenge wieder verdampft und in den Dampfeinlass des Absorbertanks eingeleitet wird.
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Der besondere Vorteil des Fahrzeugs und des darin ausgebildeten Kühlsystems liegt darin, dass Wärme bzw. Abwärme von bereits in dem Fahrzeug vorhandenen Einrichtungen genutzt wird, um eine Kühlleistung für Kühlaufgaben bereitzustellen. Die Kühlleistung kann etwa die Kühlung von Luft für eine Kabinenklimatisierung unterstützen oder gänzlich übernehmen, so dass der Primärenenergiebedarf für Kühlaufgaben weitgehend oder vollständig zapfluftfrei gedeckt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Absorbens in Form von Wasser realisiert, während das Kältemittel bevorzugt ein flüssiges Kältemittel mit eine Siedetemperatur deutlich unterhalb der Siedetemperatur von Wasser ist. Wasser ist aufgrund seiner unbrennbaren Eigenschaften für die Verwendung in einem Fahrzeug sehr gut geeignet und kann weiterhin auch eine Vielzahl von Kältemitteln lösen. Beispielsweise kommt Ammoniak oder eine ammoniakalische Lösung als Kältemittel hierfür in Betracht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die erste und die zweite Wärmemenge durch eine erste Wärmequelle und eine zweite Wärmequelle getrennt voneinander bereitgestellt. Dadurch kann insbesondere bei einer stets vorhandenen und ohnehin abzuführenden Abwärme einer Einrichtung in dem Fahrzeug gleichzeitig eine Kälteleistung für Kühlaufgaben bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die erste und die zweite Wärmemenge durch eine erste Wärmequelle oder eine zweite Wärmequelle gemeinsam bereitgestellt. Damit kann durch das Kühlsystem auch exklusiv eine hohe Kühlleistung zum Kühlen einer einzelnen Einrichtung bereitgestellt werden.
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Die erste und die zweite Wärmequelle müssen nicht zwangsläufig durch fahrzeugfeste Einrichtungen realisiert sein, sondern könnten auch außerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein, die eine Wärmemenge bereitstellen können, wie etwa durch Sonneneinstrahlung oder dergleichen. Der Regeneratortank und der Verdampfer müssen lediglich eingerichtet sein, eine Wärmemenge aufnehmen zu können, beispielsweise durch eine thermische Kopplung des Regeneratortanks oder des Verdampfers mit einer ersten oder zweiten Wärmequelle oder einer Wärme aufnehmenden oder leitenden Einrichtung.
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Die Bereitstellung der ersten oder der zweiten Wärmemenge durch eine Brennstoffzelle führt dazu, dass zumindest der Regenerator und/oder der Verdampfer mit einer recht kontinuierlichen Wärmeleistung beaufschlagt werden. Bei einem modernen Verkehrsflugzeug kann bereits eine derartige Brennstoffzelle bereitgestellt sein, die während ihres Betriebs kontinuierlich elektrische Leistung zur Verfügung stellt, welche stets von einer hiervon abhängigen Abwärmeleistung begleitet wird. Durch die Nutzung der Abwärmeleistung der Brennstoffzelle an dem Regenerator kann eine kontinuierliche Wärmesenke an dem Verdampfer bereitgestellt werden. Dort stünde eine Kälteleistung bzw. die Aufnahmefähigkeit für Wärmeleistung zur Verfügung, die zwischen dem 0,4 und 0,9-fachen der Abwärmeleistung der Brennstoffzelle liegt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Fahrzeugs weist eine Klimaanlage mit einer Luftkühleinrichtung auf, wobei die erste Wärmemenge oder die zweite Wärmemenge durch eine Wärme abgebende Einrichtung der Luftkühleinrichtung der Klimaanlage realisiert ist. Die Kühlung kann damit weitgehend oder vollständig zapfluftfrei realisiert werden und benötigt auch keinen Verdichter für einen Verdampferkreislauf. Die Bereitstellung der notwendigen Kühlleistung kann durch Abwärme realisiert werden, die beispielsweise besonders bei der effizienten Erzeugung elektrischer Leistung durch eine Brennstoffzelle ohnehin anfällt.
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Es versteht sich, dass ein Fahrzeug weitere Wärme oder Abwärme abgebende Geräte aufweist, die zur Nutzung als erste oder zweite Wärmequelle bzw. zum Abgeben von der ersten oder zweiten Wärmemenge geeignet sind. Etwa in einen modernen Verkehrsflugzeug werden eine Reihe von elektronischen Geräten eingesetzt, die einerseits regelungstechnische Aufgaben übernehmen können, andererseits auch für die Bordunterhaltung zuständig sein können. Derartige Geräte werden in Form von Recheneinheiten ausgeführt, die stets eine beträchtliche Wärmeleistung bei ihrem Betrieb abgeben, die auch an den Verdampfer übertragbar wäre.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform weist einen ersten Zwischenkühler auf, der zwischen dem Regeneratortankausgang und dem Absorbertankeingang angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den aus dem Regeneratortank ausströmenden Absorbens durch Wärmeabgabe an den aus dem Absorbertank in den Regeneratortank strömenden Absorbens zu kühlen. Dadurch wird eine Vorwärmung zur leichteren Desorption des Kältemittels erreicht, so dass eine geringere Wärmeleistung von der ersten Wärmequelle gefordert wird bzw. die erste Wärmemenge geringer sein kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform weist ferner einen zweiten Zwischenkühler auf, der zwischen dem Kondensator und dem zweiten Druckreduktionsmittel angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das aus dem Kondensator ausströmende Kältemittel durch Wärmeabgabe an das aus dem Verdampfer in den Absorbertank strömende Kältemittel zu kühlen. Hierdurch kann bereits vor einem etwaigen zweiten Druckreduktionsmittel bzw. vor Eintritt in den Verdampfer der dampfförmige Anteil des Kältemittels reduziert werden. Dies könnte insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Leitungslänge zwischen den Kondensator und dem Verdampfer relativ lang ist, um eine Zweiphasenströmung weitgehend zu vermeiden.
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Eine weiter vorteilhafte Ausführungsform weist ferner einen Verdichter auf, der mit einem Verdampferausgang und einem Kondensatoreingang in Fluidverbindung ist. Der Verdichter als eine optional betreibbare Komponente ist dazu eingerichtet, das dampfförmig vorliegende Kältemittel auf ein höheres Druckniveau zu bringen, so dass eine zusätzliche Kälteleistung bereitgestellt wird. Insbesondere bei Verkehrsflugzeugen, die am Boden teilweise extremen klimatischen Bedingungen ausgesetzt sein können ist es sinnvoll, für die sehr selten auftretenden Extrema nur bedarfsweise eine mit dem Verdichter erreichbare zusätzliche Kühlleistung zu erzeugen. Das Kühlsystem kann daher so ausgelegt werden, dass eine ausreichende Kühlleistung für übliche Kühlleistungen bereitstellbar ist, ohne auf den Verdichter zurückgreifen zu müssen. Bevorzugt wird der Verdichter über einen Elektromotor betrieben, so dass für dessen Antrieb keine Zapfluftleitungen, Turbinen oder dergleichen notwendig sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems ist ein erstes Regelventil zwischen dem Dampfauslass des Regeneratortanks und dem Kondensatoreingang angeordnet. Dadurch kann eine Regelung des Kühlsystems im Hochdruckstrang erfolgen. Ist der Einsatz eines zusätzlichen Verdichters gewünscht, kann das erste Regelventil dazu verwendet werden, das Einströmen des Kältemittels über den Dampfausgang in den Regeneratortank zu verhindern.
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In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform ist aus den gleichen Gründen ein zweites Regelventil zwischen dem Verdampferausgang und dem Dampfeinlass des Absorbertanks angeordnet. Bevorzugt erfolgt ein kombinierter Einsatz des ersten Regelventils und des zweiten Regelventils.
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Sollte die erste Wärmeleistung einer ersten Wärmequelle bzw. die erste Wärmemenge, die zur Desorption des Kältemittels aus dem Absorbens führt, nicht ausreichen, könnte in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Zusatzheizer in dem Regeneratortank angeordnet werden. Bedarfsweise könnte der Zusatzheizer dann dazu eingesetzt werden, den Desorptionsvorgang zu unterstützen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Zusatzheizer ein elektrisches Heizgerät. Dies ist sehr leicht zu betreiben und lässt sich kostengünstig realisieren. Eine bedarfsweise Ein- und Ausschaltung ist durch eine Leistungselektronik problemlos realisierbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Zusatzheizer ein Verbrennungsheizgerät, welches beispielsweise in einem Fahrzeug bzw. Flugzeug mit Treibstoff betrieben wird und auf einem relativ kleinen Raum eine große Wärmemenge freisetzen kann.
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Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten und Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Das Verfahren zum Kühlen in einem Fahrzeug weist die wesentlichen Schritte des Absorbierens eines dampfförmigen Kältemittels durch einen flüssigen Absorbens unter Wärmeabgabe, der Desorption eines dampfförmigen Kältemittels aus dem Absorbens unter Wärmeaufnahme einer ersten Wärmemenge, des Kondensierens des dampfförmigen Kältemittels unter Abgabe von Wärme, des Drosselns des Stroms flüssigen Kältemittels und des anschließenden Verdampfens des flüssigen Kältemittels unter Aufnahme von einer zweiten Wärmemenge auf. Mindestens eine der ersten und zweiten Wärmemengen wird durch eine Abwärme abgebende Einrichtung in dem Fahrzeug bereitgestellt.
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Die hierdurch erzielten Vorteile entsprechen den vorangehend diskutierten Vorteilen, insbesondere ist keine Zapfluftquelle erforderlich und die aufzubringende elektrische Leistung, die insbesondere zum Fördern von flüssigem Absorbens von einem Absorbertank in einen Regeneratortank verwendet wird, ist im Verhältnis zu der abführbaren Wärmeleistung nahezu vernachlässigbar. Der Bedarf an elektrischer Leistung auch gegenüber einem elektrisch betriebenen Clausius-Rankine-Prozess ist deutlich geringer, da die Hauptantriebsleistung thermisch zugeführt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der von einem Regeneratortank zu dem Absorbertank fließende Absorbensstrom durch Wärmeabgabe über einen ersten Zwischenkühler an den Absorbensstrom von dem Absorbertank zu dem Regeneratortank gekühlt.
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In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform wird der von einem Kondensator zu dem Verdampfer fließende flüssiger Kältemittelstrom durch Wärmeabgabe über einen zweiten Zwischenkühler an den vom Verdampfer zum Absorbertank fließenden Kältemittelstrom gekühlt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Funktion des Kühlsystems in dem Fahrzeug durch Umkehrung des Prozesses auch darin liegen kann, Wärme bereitzustellen. Der Kältekreislauf könnte mit Benutzung des zusätzlichen Verdichters nach dem Prinzip einer Wärmepumpe arbeiten, so dass ermöglicht wird, das Fahrzeug etwa in extrem kalter Umgebung in Zusammenwirkung mit einer Brennstoffzelle oder anderen kontinuierlich Abwärme abgebenden Einrichtungen schneller aufzuheizen. Hierzu bietet es sich an, mehrere Umschaltventile vorzusehen, um die Strömungsrichtung von dem Verdichter zu den nachfolgenden Komponenten des Kühlsystems umzukehren. Der Verdichter kann etwa an seinem Ausgang ein erstes Umschaltventil und an seinem Eingang ein zweites Umschaltventil aufweisen, wobei zwischen dem Verdichter und dem Kondensator ein drittes Schaltventil vorgesehen ist und zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter ein viertes Schaltventil. Diese Anordnung von Schaltventilen lässt sich bevorzugt so verschalten, dass der Verdichter Kältemittel ausschließlich zu dem Verdampfer leitet, das von dort ausschließlich über den Kondensator in den Verdichter zurückströmt. Bei der Strömung zu dem Kondensator hin wird das zweite Druckreduktionsmittel passiert, so dass das Kältemittel entspannt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen und deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines ersten Ausführungsbeispiels.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines zweiten Ausführungsbeispiels mit Zwischenkühlern.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem Verdichter zur Erhöhung der Kühlleistung.
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4 zeigt eine Kombination der Ausführungsbeispiele aus den 2 und 3.
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5 zeigt eine exemplarische Darstellung eines Details mit einem Zusatzheizer.
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6 zeigt eine mögliche Ausführung zur Umkehrbarkeit des Kältekreislaufs.
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7 zeigt ein Flugzeug mit einem darin angeordneten Kühlsystem.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Kühlsystems in einem Fahrzeug in einer einfachen Ausführungsform. Ein Absorbertank 2 ist mit einem flüssigen Absorbens gefüllt, der beispielsweise in Form von Wasser realisiert sein kann. Der Absorbertank 2 weist einen Absorbertankausgang 4 und einen Absorbertankeingang 6 auf, sowie einen Dampfeinlass 8. Aus dem Absorbertankausgang 4 kann Absorbens entnommen und über eine Absorbenspumpe 10 in einen Regeneratortank 12 geleitet werden. Der Regeneratortank 12 weist einen Regeneratortankeingang 14 und einen Regeneratortankausgang 16 auf, sowie einen Dampfauslass 18. Absorbens aus dem Regeneratortank 12 kann über ein beispielhaft als Drosselventil ausgeführtes erstes Druckreduktionsmittel 20 wieder in den Absorbertank 2 zurückfließen. Zwischen dem Absorbertank 2 und dem Regeneratortank 12 wird dementsprechend ein Absorbenskreislauf 22 gebildet, der auch als thermischer Verdichter bezeichnet werden könnte.
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Der Absorbertank 2 wird über seinen Dampfeinlass 8 mit einem dampfförmigen Kältemittel beaufschlagt, das beispielsweise als Ammoniak oder ammoniakalische Lösung ausgeführt sein kann. Ein derartiges Kältemittel lasst sich sehr leicht von Wasser oder einem ähnlichen Absorbens absorbieren. Ein stetiger Zustrom gasförmigen Kältemittels in den Aborbens kann nur bis zur Erreichung der Sättigungsgrenze zur Absorption führen. Bei der Absorption des Kältemittels wird Abwärme erzeugt, die aus dem Absorbertank 2 abzuführen ist, beispielsweise über einen flächigen Kühlkörper oder andere Einrichtungen. Wahlweise ist denkbar, diese Abwärme für andere technische Einrichtungen an dem Fahrzeug einzusetzen. Betrifft das Fahrzeug etwa ein Flugzeug können Wärme konsumierende Einrichtungen, wie etwa Vereisungsschutzsysteme, während des Flugs mit Abwärme beaufschlagt werden.
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Um einer Sättigung des Absorbens zuvorzukommen, wird aus dem Absobertankauslass 4 über die Absorbenspumpe 10 bevorzugt kontinuierlich Absorbens in den Regeneratortank 12 über den Regeneratortankeingang 14 gefördert, um dort unter Einwirkung einer ersten Wärmequelle 15 zum Bereitstellen einer ersten Wärmemenge, die beispielhaft als eine Brennstoffzelle oder eine andere Wärme bzw. Abwärme abgebende Einrichtung ausgeführt ist, das Kältemittel aus dem Absorbens zu desorbieren und über den Dampfauslass 18 aus dem Regeneratortank 12 abzuführen. Der so von Kältemittel befreite Absorbens wird über den Regeneratortankausgang 16 über das erste Druckreduktionsmittel 20 wieder in den Absorbertankeingang 6 zurückgeführt.
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Aufgrund der Förderung über die Absorbenspumpe 10 liegt in dem Regeneratortank 12 ein höherer Druck vor als in dem Absorbertank 2. Zusätzlich ist zu beobachten, dass durch Lösen des gasförmigen Kältemittels in dem Absorbens im Absorbertank 2 eine zusätzliche Drucksenkung eintritt. Über das erste Druckreduktionsmittel 20 kann demnach ein Ausgleich von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite des Absorbenskreislaufs 22 erfolgen.
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Das dampfförmige Kältemittel, das aus dem Dampfauslass 18 des Regeneratortanks 12 austritt, wird in einen Kondensator 24 geleitet, so dass unter Abgabe von Wärme eine Kondensation des Kältemittels eintritt. Über ein zweites Druckreduktionsmittel 26 wird der Druck des Kältemittels gesenkt, so dass es eine relativ niedrige Temperatur und einen bevorzugt vollständig flüssigen Aggregatzustand aufweist. Hiernach strömt es in einen Verdampfer 28, der dazu eingerichtet ist, unter Aufnahme von Wärme einer zweiten Wärmequelle 29, d. h. einer zweiten Wärmemenge, eine Verdampfung des Kältemittels durchzuführen.
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Die zweite Wärmequelle 29 zur Bereitstellung der zweiten Wärmemenge könnte in Form von Abwärme eines zu kühlenden elektrischen Geräts oder in Form von Wärme herunterzukühlender Luft über eine Luftkühleinrichtung bereitgestellt werden. Die Wärmesenke in Form des Verdampfers 28 ist bei geeigneter Auslegung des Kühlsystems dazu in der Lage, das 0,4–0,9-fache der durch die erste Wärmequelle 15 bereitgestellten ersten Wärmemenge der Brennstoffzelle als Wärme abzuführen. Dadurch wird ein sehr effizientes Kühlsystem realisiert, welches die Vorteile einer etwa ohnehin vorhandenen kontinuierlichen Abwärmeleistung einer Brennstoffzelle ausnutzen kann, um eine zusätzliche Kälteleistung an einem anderen Ort zur Verfügung zu stellen. Somit könnten beliebige Abwärme abgebende Geräte oder Vorrichtungen innerhalb des Fahrzeugs dazu eingesetzt werden, eine Kühlleistung zu erzeugen. Ein Primärenergiebedarf in Form von Zapfluft oder dergleichen ist nicht notwendig. Die elektrische Leistung zum Betrieb der Absorbenspumpe 10 ist im Vergleich zu der realisierbaren Kühlleistung vernachlässigbar, sie beträgt beispielsweise nur 2–3% der eingebrachten Wärmeleistung der ersten Wärmequelle 15.
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2 zeigt eine leichte Abwandlung des Kühlsystems aus 1. Zusätzlich zu den vorangehend erläuterten Elementen ist ein erster Zwischenkühler 30 vorhanden, der zwischen dem Regereratortankausgang 16 und dem Absorbertankausgang 6 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen Absorbensstrom aus dem Regeneratortank 12 zu dem Absorbertank 2 unter Wärmeabgabe an einem Absorbensstrom aus dem Absorbertank 2 zu dem Regeneratortank 12 hin zu kühlen. Das vorgewärmte Gemisch aus Absorbens und Kältemittel benötigt daher eine geringere Wärmeleistung, um das Kältemittel zu desorbieren oder es wird bei Beibehaltung der gleichen Wärmeleistung der ersten Wärmequelle mehr dampfförmiges Kältemittel freigesetzt. Dies würde zu einer höheren Kälteleistung führen.
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Gleichzeitig könnte ein zweiter Zwischenkühler 32 vorhanden sein, der zwischen dem Kondensator 24 und dem Verdampfer 28 angeordnet ist und einen Strom flüssigen Kältemittels unter Wärmeabgabe an einen Strom dampfförmigen Kältemittels, der zwischen dem Verdampfer 28 und dem Dampfeinlass 8 des Absorbertanks 2 strömt, kühlen. Das vorgekühlte Kältemittel weist demzufolge weniger gasförmige Komponenten auf und eine Zweiphasenströmung kann weitgehend vermieden werden. Dies führt allerdings auch dazu, dass eine größere Wärmemenge für den Verdampfer 28 aufgebracht werden kann, so dass die erzielbare Kühlleistung gesteigert wird.
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In 3 wird eine weitere Abwandlung des Kühlsystems aus 1 dargestellt. Es wird ein zusätzlicher, bedarfsweise betreibbarer Verdichter 34 vorgeschlagen, der den Hochdruckteil des Kältemittelkreislaufs mit dem Niederdruckteil unter stärkerer Druckerhöhung verbindet. Hierdurch kann die bereitgestellte Kälteleistung weiter gesteigert werden, indem der Verdichter 34 bedarfsweise angetrieben wird. Diese Variante ist besonders dafür geeignet, bei temporär starker Kühlleistungsbedarf kurzfristig die Kühlleistung sehr stark zu erhöhen, ohne dauerhaft ein für die maximale Kühlleistung ausgelegtes Kühlsystem betreiben zu müssen.
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Zusätzlich hierzu werden ein erstes Regelventil 36 und ein zweites Regelventil 38 gezeigt, die jeweils im Hochdruckteil bzw. im Niederdruckteil angeordnet sind. Die Regelventile 36 und 38 sind als besonders vorteilhaft anzusehen, um den Fluss des Kältemittels zu kontrollieren. So kann einerseits verhindert werden, dass Absorbens aus dem Absorbertank 2 abgesaugt wird und Kältemittel über den Dampfausgang 18 in den Regeneratortank 12 gelangt. Andererseits kann dadurch ermöglicht werden, dass nur nahezu reines Kältemittel im Kreis gepumpt wird. Prinzipiell könnte ein Synchronbetrieb mit thermischem und einem zusätzlichen elektrischen Verdichter durch eine entsprechende Einstellung der Regelventile 36 und 38 erfolgen.
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In 4 wird eine Kombination der Ausführungsbeispiele aus den 2 und 3 gezeigt. Das Kühlsystem besitzt demnach einen ersten Zwischenkühler 30, einen zweiten Zwischenkühler 32 und einen zusätzlichen Verdichter 34, der bedarfsweise betreibbar ist. Hierdurch kann eine besonders effiziente Umsetzung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems erreicht werden, die zur Verfügung stehende Kälteleistung ist sehr hoch.
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In 5 wird ein Detail des Absorbenskreislauf 22 gezeigt, bei dem in dem Regeneratortank 12 ein Zusatzheizer 40 angeordnet ist. Dieser erlaubt, relativ leicht eine zusätzliche Wärmeleistung in den Regeneratortank 12 einzubringen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Kühlsystem regelmäßig kurzzeitig eine höhere Kälteleistung bereitstellen muss, als während des üblichen Betriebs. Durch Betreiben des Zusatzheizers 40 kann die Desorption beschleunigt werden.
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Der Zusatzheizer 40 kann als ein elektrischer Zusatzheizer ausgeführt werden, alternativ dazu jedoch auch als ein Verbrennungsheizgerät. Als elektrischer Zusatzheizer ist besonders leicht zu installieren und in Betrieb zu nehmen, während ein Verbrennungsheizgerät eine besonders hohe Leistungsdichte aufweist. In einem Fahrzeug ist üblicherweise ohnehin ein Kraftstoff vorhanden, der zum Betrieb eines Verbrennungsheizgeräts genutzt werden kann.
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6 zeigt eine leichte Modifikation des Kühlsystems aus 3, bei dem der zusätzliche Verdichter 34 an seinem Ausgang ein erstes Umschaltventil 42 und an seinem Eingang ein zweites Umschaltventil 44 aufweist. Zwischen dem Verdichter 34 und dem Kondensator 24 ist ein drittes Schaltventil 46 vorgesehen und zwischen dem Verdampfer 28 und dem Verdichter 34 ein viertes Schaltventil 48. Diese Anordnung von Schaltventilen 42–48 lässt sich so verschalten, dass der Verdichter 34 Kältemittel ausschließlich zu dem Verdampfer 28 leitet und von dort ausschließlich über den Kondensator 24 in den Verdichter 34 zurückströmt. Bei der Strömung zu dem Kondensator 24 hin wird das zweite Druckreduktionsmittel 26 passiert, so dass das Kältemittel entspannt wird. Nach Erreichen des Kondensators 24 erfolgt unter Wärmeaufnahme eine Verdampfung. Die anschließend von dem Verdampfer 28 abgegebene Wärme ist größer als die in den Kondensator 24 eingeleitete Wärme, so dass das Kühlsystem bei diesem Betriebsmodus als Wärmepumpe betrieben werden kann, beispielsweise um eine rasche Aufheizung des Fahrzeugs in einer sehr kalten Umgebung zu erreichen. Der Kondensator 24 und der Verdampfer 28 vertauschen dabei praktisch ihre Funktion.
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Schließlich zeigt 7 ein Flugzeug 50 mit einem darin angeordneten Kühlsystem 52, an das eine erste Wärmequelle 54 und eine zweite Wärmequelle 56 angeschlossen sind. Es ist aufgrund der vorangehend dargestellten Wirkungsweise des Kühlsystems 52 nicht erforderlich, dass Triebwerke 58 des Flugzeugs 50 angezapft werden, um Zapfluft für den Betrieb einer pneumatischen Klimaanlage zu liefern, wenn eine der ersten Wärmequelle 54 und der zweiten Wärmequelle 56 als eine Luftkühleinrichtung für eine Klimaanlage 60 ausgeführt ist. Vielmehr wird durch Einleiten der Abwärme einer Abwärme abgebenden Einrichtung, etwa einer Brennstoffzelle 62, ein Betrieb des Kühlsystems 52 und damit der Klimaanlage 60 ermöglicht. Beispielhaft kann die erste Wärmequelle 54 als ein Wärmetauscher zum Abgeben von Wärme der Brennstoffzelle 62 ausgeführt sein, die in dem Flugzeug elektrische Leistung und Wasser bereitstellt, wobei kontinuierlich Warme abgegeben wird. Die zweite Wärmequelle kann durch einen Wärmetauscher für eine Luftkühleinrichtung der Klimaanlage 60 realisiert sein. Es ist selbstverständlich, dass diese Aufteilung auch umgekehrt sein kann und dass auch andere Wärme abgebende Einrichtungen verwendbar sind.
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Selbstverständlich ist die Darstellung in 7 nur ein Beispiel von mehreren möglichen Fahrzeugen, die ein derartiges Kühlsystem einsetzen können. Neben Flugzeugen kommen auch Kraftfahrzeuge, Schiffe, schienengebundene Fahrzeuge und Raumfahrzeuge in Betracht.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „einer” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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