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Hintergrund der Erfindung
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Klimatisier-Einrichtung nach dem Anspruch 1. Sie kann z. B. bei der Belüftung, Temperierung oder Klimatisierung von Fahrzeugkabinen oder Benutzerkontaktflächen wie Sitzen, Armauflagen o. ä. eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Die
DE 199 25 915 B4 beschreibt ein Heizgerät, welches zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums dient und zu diesem Zweck einen Brenner aufweist, welcher die für den Temperaturtransport vorgesehene Kühlflüssigkeit aktiv durch Verbrennen von Kraftstoff oder passiv durch Durchleiten eines Teils der Abgase des Motors erhitzen kann.
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Einen Wärmetauscher, welcher auf der Verwendung eines Peltier-Elements als Wärmepumpe beruht, stellt die
DE 10 2007 024 038 A1 vor. Sie schlägt weiterhin die Einbringung eines Metallschaums in mindestens einen der am Peltier-Element angeordneten Strömungsräume vor, welcher durch seine offenzellige Struktur turbulenzerhöhend wirkt und auf diese Weise die Effizienz der Wärmeübertragung steigern kann.
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Bekannt sind Sitze, bei denen Lehne und Sitzspiegel klimatisiert werden.
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Ein Beispiel für eine solche Sitzheizung bietet die
DE 2 220 009 A , welche dafür mit Wärmetauschern aus flexiblem Material ausgestattete Sitzauflagen vorsieht, die über ein Schlauchsystem mit einem Heizmedium versorgt werden können.
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Auch klimatisierte Lenkräder und Gebläse sind bekannt. Allerdings werden solche Systeme von unterschiedlichen Benutzern sehr verschieden bewertet.
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Es ist deshalb wünschenswert, den Komfort solcher Temperiersysteme weiter zu verbessern.
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Gegenstand der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird ein technisches Konzept mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
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Wenn eine Klimatisier-Einrichtung für ein Fahrzeug einen Fluidkreislauf zum Austausch von Wärme zwischen einer Klima-Regelstrecke im Fahrzeug und der Umgebung des Fahrzeuges und mindestens einen Einspeise-Wärmetauscher zum Einspeisen von Wärme oder Kälte in den Fluidkreislauf aus einer externen Quelle und mindestens einen Entnahme-Wärmetauscher zur Entnahme von Wärme oder Kälte aus dem Fluidkreislauf (zur Versorgung einer Klima-Regelstrecke) aufweist, erleichtert das den kontrollierten Durchtritt von Wärmeströmen durch die Fahrzeugkarosserie. Eine externe Quelle kann z. B. ein Brenner oder die Umgebungsluft sein.
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Wenn die Klimatisier-Einrichtung mindestens einen zweiten Entnahme-Wärmetauscher aufweist, um mindestens eine weitere Klima-Regelstrecke mit Wärme oder Kälte zu versorgen, gestattet das eine lokal angepasste Temperierung.
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Wenn mindestens ein Entnahme-Wärmetauscher mit einer zusätzlichen Temperier-Einrichtung versehen ist, um einen zusätzlichen Wärmestrom in oder aus der jeweiligen Klima-Regelstrecke zu erzeugen, gestattet dies die Erzeugung einer gegenüber einem Fluid in einem Fluidkreislauf höheren oder tieferen Temperatur an der Klima-Regelstrecke.
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Wenn das Arbeitsfluid des Fluidkreislaufes bei normalen Betriebstemperaturen eine Flüssigkeit ist, vorzugsweise zumindest teilweise Wasser, Öl oder eine Lösung, lassen sich dadurch größere Wärmeströme transportieren als mit Luft.
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Wenn mindestens ein Entnahme-Wärmetauscher ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ist, lassen sich die lokalen Klima-Regelstrecken ohne die Gefahr von Leckagen einfach mit Luft als wärmetransportierendem Fluid temperieren.
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Wenn ein Temperier-Modul für eine Klima-Regelstrecke in einer Fahrzeugkabine vorgesehen ist, welches mit mindestens einer Wärmepumpe ausgestattet ist, und wenn die Wärmepumpe für einen Anschluss an einem Flüssigkeitskreislauf ausgelegt ist, lässt sich eine Klima-Regelstrecke, z. B. ein Sitz, einfach an einen Fluidkreislauf anschließen und effizient temperieren.
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Figuren
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In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Diese Ausführungen sollen die Erfindung verständlich machen. Sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter. Selbstverständlich lassen sich innerhalb des durch unabhängige Ansprüche definierten Rahmens der Erfindung einzelne oder mehrere beschriebene Merkmale auch weglassen, abwandeln oder ergänzen. Auch können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen selbstverständlich untereinander kombiniert werden. Entscheidend ist, dass das Konzept der Erfindung im Wesentlichen umgesetzt ist. Wenn ein Merkmal zumindest teilweise zu erfüllen ist, so schließt dies ein, dass dieses Merkmal auch vollständig oder im Wesentlichen vollständig erfüllt ist. „Im Wesentlichen” bedeutet dabei insbesondere, dass die Umsetzung eine Erzielung des erwünschten Nutzens in erkennbarem Ausmaß erlaubt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ein entsprechendes Merkmal zu mindestens 50%, 90%, 95% oder 99% erfüllt ist. Ist eine Mindestmenge angegeben, so kann selbstverständlich auch mehr als diese Mindestmenge verwendet werden. Wenn die Anzahl eines Bauteils mit mindestens einem angegeben ist, so beinhaltet dies insbesondere auch Ausführungsformen mit zwei, drei oder einer sonstigen Vielzahl von Bauteilen. Was für ein Objekt beschrieben ist, kann auch auf den überwiegenden Teil oder die Gesamtheit aller anderen artgleichen Objekte angewandt werden. Sofern nichts anderes angegeben ist, schließen Intervalle ihre Randpunkte mit ein.
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Nachfolgend wird Bezug genommen auf:
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1 Fahrzeug 1 mit einer temperierten und klimatisierten Lenkeinrichtung in teilweisem Längsschnitt
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2 Temperiersystem
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3 Temperaturverläufe an verschiedenen Stellen des Temperiersystems von 2 im Heizbetrieb
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4 Entnahme-Wärmetauscher in Frontal-Ansicht
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5 Entnahme-Wärmetauscher von 4 in Draufsicht
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Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein Fahrzeug 1. Ein Fahrzeug bezeichnet eine Einrichtung zum Transport von Personen und/oder Gütern, bspw. Land-, Wasser-, Schienen- und Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, Schiffe und automobile Kraftfahrzeuge.
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Das Fahrzeug besitzt mindestens eine erste Klima-Regelstrecke 2. Das beinhaltet insbesondere einen Gegenstand oder Raum, der zumindest hinsichtlich mindestens eines Klima-Parameters beeinflusst werden soll, also einer Steuerung und/oder Regelung unterliegt, insbesondere um ihn zumindest kurzzeitig auf einen bestimmten Sollwert oder in einen Sollbereich zu bringen und/oder dauerhaft dort zu halten. Der Ausdruck „Klimaparameter” bezieht sich insbesondere auf eine klimatische Größe, zum Beispiel Temperatur, Luftfeuchte, Luftzusammensetzung und/oder Fluidströmungsgeschwindigkeit. Beispiele für eine Klima-Regelstrecke sind unter anderem Fahrzeugkabinen, klimatisierte Sitze, Lenkräder, Verkleidungselemente von Fahrgasträumen, Vorratsbehälter oder Gehäuse von Batterien, Motoren oder anderen Funktionselementen. Vorliegend ist die erste Klima-Regelstrecke das Innere einer Fahrzeugkabine.
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Das Fahrzeug 1 weist mindestens einen Inneneinrichtungsgegenstand 3 auf. Dabei kann es sich um jedes Bauteil handeln, mit dem ein Benutzer der Fahrgastzelle in Kontakt kommen kann. Beispiele sind Armauflagen, Türverkleidungen, Sitze o. ä.. Vorliegend bildet ein Sitz diesen Inneneinrichtungsgegenstand 3. Er ist gleichzeitig eine zweite Regelstrecke 2' und soll bzgl. seiner Temperatur benutzerfreundlich geregelt werden.
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Das Fahrzeug weist vorzugsweise mindestens eine Klimatisier-Einrichtung 4 auf. Klimatisier-Einrichtung bezeichnet einen Gegenstand, der geeignet ist, einen zu klimatisierenden Bereich hinsichtlich mindestens eines klimatischen Parameters zu beeinflussen, z. B. zur Temperierung, Belüftung, Be- und Entfeuchtung und/oder Klimatisierung.
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Die Klimatisier-Einrichtung 4 weist vorzugsweise mindestens einen Fluidkreislauf 8 gemäß 1 und 2 auf, über den Wärme aus der Umgebung des Fahrzeuges in die Fahrzeugkabine transportiert oder daraus entfernt wird. Der Fluidkreislauf ist vorzugsweise ein geschlossenes System, dem im normalen Betrieb weder Fluid zugeführt noch entnommen wird.
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Das Fluid besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus Wasser oder einer anderen, bei Normaldruck und üblichen Einsatztemperaturen flüssigen Substanz, wie Öl oder Salzlösung. Die hohe Wärmekapazität solcher Materialien begünstigt die Effizienz des Wärmeaustausches. Das Fluid wird dabei z. B. mittels einer Pumpe 10 durch den Kreislauf gepumpt.
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Die Klimatisier-Einrichtung 4 weist vorzugsweise mindestens einen Einspeise-Wärmetauscher 12 auf. Am Einspeise-Wärmetauscher 12 kann dem Fluidkreislauf 8 zur Einspeisung von Kälte, z. B. durch Fahrtwind, Wärme entzogen werden, um z. B. im Sommer überschüssige Wärme aus dem Inneren der Fahrzeugkabine oder von einer sonstigen Klima-Regelstrecke 2 abzuführen. Am Einspeise-Wärmetauscher 12 kann aber auch Wärme in den Fluidkreislauf 8 eingespeist werden, um sie dem Inneren der Fahrzeugkabine z. B. einer sonstigen Klima-Regelstrecke 2' zuzuführen. Hierfür ist es zweckmäßig, einen z. B. ethanol-befeuerten Brenner, eine Standheizung, einen Anschluss an einen Motor-Kühlkreislauf oder eine sonstige Wärmequelle 14 vorzusehen. Der Einspeise-Wärmetauscher 12 wird vorzugsweise einerseits mit der Flüssigkeit des Fluidkreislaufes 8 und andererseits mit Luft, z. B. der Umgebung vorzugsweise im Gegenstrom beschickt. Dazu ist es zweckmäßig, ihn an der Stirnseite des Fahrzeuges 1 oder in dessen Motorraum anzuordnen, um den Staudruck der Umgebungsluft bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zur Versorgung des Einspeise-Wärmetauschers 12 ausnutzen zu können.
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Die Klimatisier-Einrichtung 4 weist vorzugsweise mindestens einen ersten Entnahme-Wärmetauscher 22 gemäß 4 und 5 auf, über welchen dem Fluidkreislauf 8 Wärme oder Kälte entnommen werden kann. Dieser Entnahme-Wärmetauscher 22 ist neben dem Fluidkreislauf 8 mit einem Luftstrom eines Gebläses 26 beaufschlagt, der der Versorgung der Fahrzeugkabine und damit der ersten Klima-Regelstrecke 2 dient. Er ist deshalb zweckmäßigerweise im oder nahe dem Cockpit des Fahrzeuges 1 positioniert.
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Vorzugsweise ist der Entnahme-Wärmetauscher 22 mit mindestens einer zusätzlichen ersten Temperier-Einrichtung 24 versehen. Temperier-Einrichtung bezeichnet eine Einrichtung, die zur gezielten Temperierung eines Benutzers oder eines zu beheizenden Gegenstandes, insbesondere zu einer Temperaturerhöhung, -verringerung oder -beibehaltung dient, z. B. als Heiz-, Kühl- oder Lüfter-Einrichtungen. Vorzugsweise weist die Temperier-Einrichtung 24 mindestens eine Wärmepumpe, vorzugsweise in Form mindestens eines Peltier-Elementes auf. Vorzugsweise ist dessen erste Seite thermisch mit dem Fluidkreislauf 8 gekoppelt und seine zweite Seite thermisch mit dem zu temperierenden Gegenstand, Medium oder Arbeitsfluid, vorliegend mit der in die Fahrzeugkabine geleiteten Luft. Dazu ist die Temperier-Einrichtung 24 bzw. das Peltier-Element vorzugsweise im Entnahme-Wärmetauscher 22 angeordnet, vorzugsweise längs einer Trennwand, welche das Fluid des Fluidkreislaufes 8 von der zu temperierenden Kabinenluft trennt. Vorzugsweise sind mindestens zwei Temperier-Einrichtungen 24, 24' bzw. Peltier-Elemente vorgesehen, um am Entnahme-Wärmetauscher 22 von zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Entnahme-Wärmetauschers 22 Wärme mit dem Fluidkreislauf 8 auszutauschen.
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Zweckmäßigerweise ist eine Vielzahl von Wärmeleit-Rippen 33 am Entnahme-Wärmetauscher 22 vorgesehen, um einen ausreichenden Wärme-Austausch zwischen der Temperier-Einrichtung und dem Flüssigkeitsstrom F des Fluid-Kreislaufs 8 einerseits und dem die Klima-Regelstrecke 2 temperierenden Gasstrom G andererseits zu gewährleisten. Günstig dafür ist eine Anzahl von mindestens 4, besser 10. Um ausreichend große Wärmeströme zu erreichen, benötigen diese eine ausreichende Rippenhöhe, um eine große Oberfläche bereitzustellen. Vorzugsweise beträgt die Höhe der Rippen mindestens 0,5 cm, besser mindestens 1 cm.
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Vorzugsweise ist der für einen Gasstrom G durchgängige Strömungsquerschnitt im Wärmetauscher größer als der für einen Flüssigkeitsstrom F durchgängige Strömungsquerschnitt des Fluidkreislaufs 8 im Wärmetauscher. Vorzugsweise ist er mindestens doppelt so groß, besser mindestens viermal so groß. Denn das Fluid hat gewöhnlich eine Temperatur, die deutlich extremer ist, als die des einem Benutzer letztendlich zugeleiteten Luftstromes. Außerdem ist eine Querschnittvergrößerung zwischen normalen Flüssigkeitsleitungen im Fluidkreislauf 8 und Flüssigkeitsleitungen im Wärmetauscher eher unerwünscht, um ein zu starkes Absinken der Strömungsgeschwindigkeit zu vermeiden. Denn turbulente Strömungen können im Wärmetauscher Wärme besser mit den Wandungen des Wärmetauschers austauschen als laminare Strömungen. Der Querschnitt des Fluidkreislaufes ist deshalb innerhalb des Wärmetauschers vorzugsweise ähnlich groß wie außerhalb, vorzugsweise ist er maximal um das Dreifache größer, vorzugsweise maximal um das Doppelte.
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Der Entnahme-Wärmetauscher 22 kann im Gleichstrom betrieben werden, so dass er folglich eine Einströmseite hat, an der beide Fluide eintreten und eine Ausströmseite, an der beide Fluide wieder austreten. Vorzugsweise ist in diesem Fall die Temperier-Einrichtung 24 näher der Ausströmseite angeordnet, damit trotz der sich aneinander angleichenden Temperaturen der Fluide an der Klima-Regelstrecke 2 eine zusätzliche Temperaturänderung in die gewünschte Richtung erzielt werden kann, zumindest wenn die Arbeitstemperatur des Fluidkreislaufs 8 unterhalb der Solltemperatur der Klima-Regelstrecke 2 liegt.
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Wird der Entnahme-Wärmetauscher 22 im Gegenstrom betrieben, so ist die Temperier-Einrichtung bzw. die Wärmepumpe vorzugsweise nahe der Einströmseite des Fluids des Fluidkreislaufes 8 in den Entnahme-Wärmetauscher 22 vorgesehen. Dadurch ergibt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad des Entnahme-Wärmetauschers 22.
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Liegt die Arbeitstemperatur des Fluidkreislaufes 8 oberhalb der Solltemperatur der Klima-Regelstrecke 2, kann eine Position in der Nähe der Einströmseite zweckmäßiger sein, um die größere Temperaturdifferenz zwischen den Fluiden zu nutzen.
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Wird für den Luftstrom eine möglichst kurze Austausch-Strecke benötigt, um den Luftwiderstand in einem großen Querschnitt bei hohem Luftdurchsatz gering zu halten, bietet sich ein Kreuzstromwärmetauscher wie in 4 und 5 an, vorzugsweise mit einer Strömungsumkehrung von 180 Grad.
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Vorzugsweise weist die Klimatisier-Einrichtung 4 mindestens einen weiteren Entnahme-Wärmetauscher 32 auf. Er ist zweckmäßigerweise gleichartig konzipiert wie der erste Wärmetauscher 22. Auch er weist vorzugsweise eine zusätzliche Temperier-Einrichtung 34 in Form einer Wärmepumpe auf. Er kann z. B. der Versorgung eines Gebläses 36 zur Temperierung eines Fahrzeugsitzes, eines Getränkehalters, eines Lenkrades oder einer sonstigen weiteren Klima-Regelstrecke 2' dienen. Durch den gemeinsamen Anschluss an den Fluidkreislauf 8 ist es dem Entnahme-Wärmetauscher 22, 32 möglich, Wärme-Energie effizient und in größerer Menge durch die Kabinenwandung hindurch mit der Umgebung auszutauschen. Die zusätzlichen Temperier-Einrichtungen 24, 34 ermöglichen es, ihrerseits die Klima-Regelstrecken 2, 2' auf eine individuelle, von anderen Klima-Regelstrecken 2, 2 unabhängige Temperatur zu regeln. Sie gestatten, an unterschiedlichen Stellen voneinander verschieden große Wärmeströme und in voneinander verschiede Richtungen auszukoppeln. Die Temperier-Einrichtungen 24, 34 glätten zudem einfach elektrische Temperaturschwankungen, die im Fluidkreislauf entstehen können. Eine solche Klimatisier-Einrichtung 4 ermöglicht eine schnelle Beheizung genauso wie eine schnelle Abkühlung und eine einfache Steuerung, da eine lange Vorlaufzeit zur Temperierung des Fluidkreislaufes 8 mit seinen langen Leitungen und hoher Wärmekapazität entfällt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Klimatisier-Einrichtung 4 mindestens einen Brenner aufweist, um über den Einspeise-Wärmetauscher 12 Fluid im Fluidkreislauf 8 zu erwärmen. Das ermöglicht eine effiziente Temperierung des Fluids durch den Brenner als externe Wärmequelle 14.
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Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betrieb einer Klimatisier-Einrichtung 4, wenn in mindestens einem Betriebszustand der Brenner abgeschaltet ist und mindestens eine zusätzliche Temperier-Einrichtung 24, 34 in Betrieb ist. Dadurch kann der Brenner z. B. im Ruhezustand des Fahrzeugmotors abgeschaltet werden, um die Geräusche des Brenners zu unterbinden, während sie nicht durch Reifen- oder Motorgeräusche überdeckt würden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Brenner abgeschaltet ist, solange die Differenz zwischen einer Soll-Temperatur und einer Ist-Temperatur im Fluid oder an einem Entnahme-Wärmetauscher weniger als 20°C beträgt, vorzugsweise weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C. Dadurch wird der Brenner geschont und die zusätzlichen Temperier-Einrichtungen 24, 34 können Schwankungen der Fluid-Temperatur ausgleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2, 2'
- Klima-Regelstrecke
- 3
- Inneneinrichtungsgegenstand
- 4
- Klimatisier-Einrichtung
- 8
- Fluidkreislauf
- 10
- Pumpe
- 12
- Einspeise-Wärmetauscher
- 14
- Wärmequelle
- 22, 32
- Entnahme-Wärmetauscher
- 24, 24', 34, 34'
- Temperier-Einrichtungen
- 26, 36
- Gebläse
- 33
- Wärmeleit-Rippen
- F
- Flüssigkeitsstrom
- G
- Gasstrom
