DE102014008556A1

DE102014008556A1 - Turbo-Klima-Anlage

Info

Publication number: DE102014008556A1
Application number: DE102014008556.2A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Dipl.-Ing. Stute Manfred
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Turbo-Klima-Anlagen (1) für Fahrzeuge, die mit Verbrennungsmotoren, Hybridantrieben, Brennstoffzellen-Antrieben oder besonders mit reinen elektrischen Antrieben versehen sind. Die Turbo-Klima-Anlage (1) besteht aus einem Strömungsverdichter (4) und einer Turbine (3), deren Laufräder (56, 57) fest mit einem elektrischen Rotor einer elektrischen Maschine (5, M, G) verbunden sind. Bei den Elektromotoren (5, M) oder Generatoren (G) handelt es sich erfindungsgemäß um hochdrehende Maschinen des Drehzahlbereichs nV,D > Kπ/DV mit denen für den Mindestkennzahlbetrag Kπ = 4500 m/min der Klima-Anlagen vorteilhafte Verdichter-Rad-Durchmesser-Bereiche nutzbar sind, die auch für sehr kleine Gasdurchsätze zu vorteilhaften Verdichter- und Turbinen-Wirkungsgraden führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbo-Klima-Anlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Heutige moderne Klima-Anlagen für Kraftwagen bestehen aus einem zur Umgebung geschlossenen Kreislauf, der mit Kältemittel versehen ist, das seit langer Zeit als relevant für die Verstärkung des Treibhauseffektes eingestuft wird (z. B. R134a, Klimarelevanz mindestens 1300). Momentan sind aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen Entwicklungen im Gange umweltverträgliche Kältemittel, wie z. B. CO2 (Klimarelevanz 1), für diese Standard-Klima-Anlagen der Serie zu zuführen.
Das Prinzip des geschlossenen Kühl-Kreislaufs wird mit den erlaubten Kältemitteln beibehalten, jedoch wird die Serien-Entwicklung zur vorteilhaften Nutzung des neuen Kältemittels insbesondere eine Anpassung an die optimalen erhöhten Prozessdrücke über den Kompressor durchführen müssen, wodurch die einzelnen Komponenten des gesamten Kreisprozesses mehr oder weniger betroffen sind. Die Zulieferer der zu überarbeitenden Klima-Anlagen gehen von relativ hohen Umstellungskosten für den Wechsel des Kältemitteltyps aus, die nach deren Aussagen mit einem Entwicklungszeitbedarf von mehreren Jahren einhergehen.
Neben den Klima-Anlagen mit geschlossenem Kreislauf sind alternativ relativ einfache und offene Kühl-Kreisläufe auf der Basis der Turbokühlung denkbar, die bisher für die angestrebten Anwendungen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, Hybrid-Antrieben oder reinen Elektrofahrzeugen kaum eine Rolle spielen. Diese kostengünstige Alternative enthält wünschenswerte Eigenschaften, wie, z. B. sehr schnelles Ansprechen der Kühlfähigkeit und eine einfache Umschaltmöglichkeit auf eine schnellwirksame Heizfunktion, was gerade bei Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung ist.
Aus der Akte DE 28 31 129 sind Merkmale einer solchen Turbokühlanlage für Fahrzeuge zu entnehmen, die als Beispiel eine zweistufige Verdichtung aufweist, bei der eine äußere Kraftquelle, die nicht näher spezifiziert ist, den Niederdruckverdichter antreibt.
Im Zusammenhang mit den angestrebten vorteilhaften Antriebsquellen der Turbo-Klima-Anlage bestehen Erfahrungen aus den Entwicklungsaktivitäten der Brennstoffzellen-Luftversorgung die Hinweise geben, dass dieser offene und bekannte Kreislauf der Turbokühlung aufgrund der laufenden sehr positiven Entwicklungen an hochdrehenden elektrischen Maschinen Bedeutung gewinnen wird.
Die Akte DE 10 2011 119 881 A1 gibt einen Einblick über das Konzept dieser Brennstoffzellen-Luftversorgung auf der Basis von Turbomaschinen und den hochdrehenden elektrischen Motoren als deren Antriebsquelle. Der Rotor des hochdrehenden Elektromotors steht in direkter fester Kopplung über die Antriebswelle zu den Rädern der Turbomaschinen wie dem Verdichter und der Turbine ohne irgendwelche aufwendige Getriebe.
Durch die Nutzung der hochdrehenden Elektromotoren gewinnt man für die mobilen Anwendungen die Kernvorteile, wie sehr geringe Bauraumbedarfe bei hohen Gewichtsreduktionen gegenüber den herkömmlichen Anlagen, wobei auch merkliche Geräuschvorteile ermöglichbar werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbokühlung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sehr kompakt mit geringem Gewicht und vorteilhaftem akustischen Verhalten sich darstellt und ein sehr schnelles Ansprechverhalten der Kühl- und Heizfunktionen aufweist. Des Weiteren steht im Mittelpunkt, neben der Temperaturbeeinflussung, auch die Luftqualität zumindest mit einstellbarer Luftfeuchte zu bewirken.
Diese Aufgabe wird durch die Turbo-Klima-Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Entsprechend dem thermodynamischen zur Fahrzeugkabine offenen Kreisprozess der Turbo-Klima-Anlage saugt der hochdrehende Verdichter im reinen Umluft-Betrieb die zu kühlende Luft mit einem bestimmten Feuchtegrad aus dem Fahrzeuginnenraum an und befördert das Gasgemisch auf ein erhöhtes Druckniveau, das dadurch auch eine Temperatursteigerung gegenüber dem Fahrzeuginnenraum erfährt. Das Luftgemisch durchströmt dann eine Kühlvorrichtung, ohne dass das Druckniveau bis auf den entstehenden Druckverlust wesentlich absinkt. Durch die nachfolgende Expansion in der Turbine auf den Umgebungsdruck erhält man die gewünschte, abgesenkte Temperatur der in den Fahrzeuginnenraum wieder einströmenden feuchten Luftmenge, die sich mit der Luft des Fahrzeuginnenraums vermischt. Da durch die Temperaturabnahme in der Turbine der Feuchtegrad nur bis zur Sättigung von 100% anwachsen kann, wird ab der Feuchte-Sättigung die weitere Absenkung der Turbinenaustrittstemperatur des Gas-Wasser-Gemisches dann zur Ausscheidung von Wassertropfen führen, wodurch auch die Möglichkeit entsteht, den Gesamtfeuchtegrad der Luft im Fahrzeuginnenraum zu beeinflussen.
Dem Energieaufwand für die Kompression der feuchten Luft steht ein teilweiser Rückgewinn des Aufwandes durch die Turbinenexpansion gegenüber, wodurch die notwendige elektrische Energiezuführung zum hochdrehenden Elektromotor bestimmt ist.
Um geringe Strömungsgeräusch-Entwicklungen und geringe Strömungsgeschwindigkeiten zu verursachen, werden die Ansaugbereiche des Verdichters aus dem Fahrzeuginnenraum, wie auch die Austrittsbereiche der Turbine in den Fahrzeuginnenraum einer hohen Strömungsflächen-Dimensionierung unterworfen. Zusätzlich werden akustische Maßnahmen zur Dämpfung der Geräuschentwicklung in den Aus- und Einströmbereichen des Fahrzeuginnenraums getroffen.
Um eine möglichst effiziente Nutzung der eingebrachten elektrischer Energie für die Klimatisierung zu erzielen, was in Verbindung mit einer Minimierung des Luftdurchsatzes der Klima-Anlage steht, bedeutet die erzielbare Schnell-Läufigkeit der Turbomaschinen, insbesondere des Verdichters, eine große Rolle für die erzielbaren hohen Komponenten-Wirkungsgrade.
Die erfindungsgemäße maßgebende Auslegungskennzahl K_π, steht im Zusammenhang mit dem optimalen Druckverhältnis des Verdichters, das für die Expansionsturbine günstige Voraussetzungen der Temperaturerniedrigung für die Kühlzwecke bietet. Der Kern der Optimierung geht von der Fähigkeit der heutigen hochdrehenden elektrischen Maschinen aus, die es erlauben die Durchmesser der Turbomaschinen drastisch abzusenken und damit die Schnell-Läufigkeit anzuheben. Durch die Absenkung der Turbomaschinen-Durchmesser erhält man günstige Radschaufel-Kanäle bei einer Minimierung der Gasgemisch-Durchsätze, die zu den gewünschten hohen Komponenten-Wirkungsgraden führen. Gerade auch hohe Wirkungsgrade der Expansionsturbine sind für die Gastemperaturen-Erniedrigung zur effizienten Fahrzeuginnenraum-Kühlung notwendig.
Der erfindungsgemäße Zusammenhang: n_V,D > K_π/D_V zwischen der hohen Auslegungsdrehzahl des Turboverdichters zu dessen Durchmesser beinhaltet über die Proportionalität des Verdichter-Volumenstroms zum Quadrat des Verdichter-Durchmessers D_V den Schlüssel, um eine optimale Klima-Anlage mit niederen Durchsätzen und elektrischen Leistungen bei hohen Kühleffekten zu gestalten.
Um Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen mit Klima-Anlagen, die das erfindungsgemäße Hauptmerkmal der hochdrehenden elektrischen Maschinen beinhalten auszustatten, wird man sich entsprechend der Anforderungen in Drehzahlbereichen zwischen 80000– bis 200000 1/min und ggf. darüber bewegen, was aus dem bekannten Stand der Technik an Turbokühlanlagen bisher nicht vorstellbar war.
Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen befinden sich Turboluftversorgungseinheiten der Zellen in Entwicklungen, die es anbieten und erlauben, nach dem Verdichter dieser Luft-Versorgungseinrichtung der Zellen ein Teilstrom für die Klimatisierung zu entnehmen und einer Kühleinrichtung zuzuführen, bevor die Expansion in einer Turbine für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erfolgt. Die rückgewonnene Energie durch die Turbine kann dann über einen hochdrehenden Generator in einen Stromfluss umgewandelt werden und über das Energie-Management der Brennstoffzelle weitere Verwendung finden. Damit durch die Kühl-Luft keine Verschmutzungen über Schmiermittel der Lagerungen der elektrischen Maschinen mit den Turbomaschinen in den zu klimatisierenden Fahrzeuginnenraum gelangen, sind deren Lagerungen z. B. als Luftlagerungen zu gestalten oder eine vollständige Entkopplung über eine Zwischenschaltung der Umgebungsatmosphäre an den herkömmlichen, geschmierten oder gefetteten Lagerungen zwischen den verschmutzungssensiblen Kühlluftstrom durchgeführt.
Eine zentrale Bedeutung für die Funktion der Turbo-Kühl-Anlage kommt der stationären Kühlvorrichtung zu, die im Allgemeinen aus einem Luft-Luft- oder Luft-Wasser-Kühler besteht. Weiterentwicklungen in Richtung einer Wassereinspritzung stromab des Verdichter-Rades ergeben zudem eine Steigerung der Kühlfähigkeit oder können sogar alternativ ohne die genannten Kühler platzsparend durch reine Wasserverdampfung zur Wirkung gebracht werden. Die Wassereinspritzung nach dem Verdichter-Rad, ggf. in den Verdichter-Diffusor, wo eine sehr hohe Strömungsturbulenz die Wasserverdampfung begünstigt, erfordert dann spätestens nach dem Turbinenaustritt eine Entwässerungsvorrichtung, um die Wunschfeuchten von 40– bis 60% im Fahrzeuginnenraum bei der Zumischung der gesättigten Luft in den wärmeren Innenraum zu garantieren.
Durch die Nutzung der Zentrifugalwirkung der Turbinenaustrittsströmung, bei einem Zusammenspiel mit den Eigenschaften von Kapillarkräften, ist die einfache Lösung eines porösen Turbinenrad-Außenkontur-Ringes sinnvoll, wodurch der Abtransport der Wassertropfen mit zusätzlicher Hilfe von Gasdruckdifferenzen aus der Kühlluft ermöglichbar wird.
Zur Funktionserweiterung der Turbo-Klima-Anlage sind auch außerhalb des Fahrzeuginnenraumes Zu- und Ableitungen vor dem Verdichter und nach der Expansionsturbine vorgesehen. Gerade bei Fahrzeuginnenräumen mit sehr hohen Innentemperaturen wird man durch Öffnung der äußeren Ansaugverrohrung, die mit Filtern versehen ist, die kühlere Außenluft dem Kühlprozess zuführen und die heiße Innenluft der Fahrzeugkabine durch die zusätzliche oder vollständig von außen verwendete Kühl-Luft quasi ausspülen. Die Zeiträume für eine vollständige Umwälzung der feuchten Luft im Fahrzeuginnenraum wird durch die Massenstrom-Leistungsfestlegung der Klima-Anlage bestimmt und wird sich üblicherweise in einem Zeitfenster von einer Minute bis an die 5 Minuten befinden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung des offenen Turbo-Kühl-Prozesses anhand eines Temperatur-Entropie-Diagramms;
2 eine schematische Prinzip-Darstellung der Turbo-Kühl-Anlage, die die feuchte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum ansaugt und in den Fahrzeugraum wieder zurückströmen lässt, wobei die Kühl-Einrichtung durch einen Kühler herkömmlicher Art gegeben ist;
3 eine schematische Prinzip-Darstellung der Turbo-Kühl-Anlage, die die feuchte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum ansaugt und in den Fahrzeugraum wieder zurückströmen lässt, wobei die Kühl-Einrichtung nur durch eine Vorrichtung einer Wassereinspritzung gegeben ist;
4 eine schematische Darstellung mit einem h_1+x – Mollier – Diagramm, in dem beispielhaft der Kühl-Prozess einer Wassereinspritzung abgebildet wird:
5 eine schematische Darstellung einer Hauptansicht eines Radialverdichters einer Turbo-Kühl-Anlage, bei dem eine Wasser-Einspritzung stromab des Verdichter-Rades, beispielsweise vor dem Diffusor erfolgt;
6 eine schematische Darstellung einer Hauptansicht einer Radialturbine einer Turbo-Kühl-Anlage, bei der eine Wasser-Extraktion nach dem Turbinenradeintritt innerhalb und außerhalb des Radkanals über einen porösen Außenkontur-Ring durchgeführt wird;
7 eine Darstellung der Elemente einer Brennstoffzelle mit der Turbo-Brennstoffzellen-Luftversorgungseinheit, die einen komprimierten und gekühlten Teilmassenstrom an eine gesonderte Expansionsturbine abgibt;
8 eine schematische Darstellung des Diagramms mit der Abszisse des Verdichter-Rad-Durchmessers D_V und der Ordinate der Auslegungsdrehzahl n_V,D des Verdichters, wobei der erfindungsgemäße Optimal-Bereich gepunktet markiert ist.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm mit der Abszisse 10 der Entropie und der Ordinate 11 der Temperatur. Der offene Kreisprozess wird durch die Isobare 12 des Fahrzeuginnenraumdrucks P1, P4, Isobare 13 des Drucks P2 nach dem Verdichter 4 und Isobare 14, dem Druck P3 nach der Kühleinrichtung 6 vor der Expansionsturbine 3, 3a bestimmt. Die Kompressionslinie 15 des Verdichters 3 liegt zwischen den Temperaturen T1 und T2. Mit dem Pfeil 18 wird eine mögliche Wassereinspritzung nach dem Verdichter-Rad oder im Kühler angedeutet. Der Kühlprozess findet entlang der Linie 16 zwischen den Temperaturen T2 und T3 statt, wobei die Wärmeabfuhr aus dem Gasgemisch über den Pfeil 20 kenntlich gemacht wird. Die Expansion der Kälteturbine 3 wird durch die Linie 17 charakterisiert und endet bei der Temperatur T4 der gekühlten feuchten Luft mit dem Feuchtegrad 18a. Die Kälteleistung steht in Proportionalität zur Temperaturdifferenz 19 (T1 – T4). Eine schematische Darstellung der Turbo-Kühl-Anlage 1 geht aus der 2 hervor. Aus dem Fahrzeuginnenraum 2 wird eine feuchte Luftmenge (–dm_PL × dt) mit der Temperatur T1 und dem Druck P1 durch den Turboverdichter 4 angesaugt. Die Ansauggeräusche werden dabei durch die akustische Einrichtungen 27 stark gedämpft. Des Weiteren besteht die Option eine Luft-Ansaugung durch die regelbare externe Verrohrung mit Filterung 68 durchzuführen, um damit ggf. eine schnellere Kühlwirkung im Fahrzeuginnenraum 2 zu erzeugen, wenn die Umgebungstemperatur zur Fahrzeugkabine eine abgesenkte Temperatur aufweist. Am Austritt des Verdichters 4 erhalten wir die Temperatur T2, die maßgebend mit der über den Elektromotor 5 eingestellten Drehzahl, bzw. mit dem eingebrachten elektrischen Strom 31 einhergeht. Die Lagerung 8 des Elektromotors 5 zur Verdichter-Seite 4, wie auch zur Kälteturbine 3 hin, wird aufgrund der Reinheitsforderung an die Kühl-Luft vorteilhafterweise eine luftgeschmierte Lagerung 8 sein. Mit den Leitungen nach dem Verdichter-Rad 4, 56 ist eine Vorrichtung 7 für das Wassermanagement mit dem Kühlkreislauf in Verbindung, die auch bei Bedarf eine Wassereinspritzung über die Düsen 29 bei geöffneten regelbaren Ventilen 26 bewirken kann. Die komprimierte und ggf. mit zusätzlichem Wasser versehene feuchte Luft durchströmt den Kühler 6, um den auch für die Heizfunktion eine Bypassierungsleitung 64 verläuft. Nach dem Kühler der Kühlvorrichtung 6 und vor der Expansionsturbine 3 besitzt das Gas-Wasser-Gemisch die Temperatur T3 mit dem Druck P3. Die Abkühlung der feuchten Luft erfolgt nun durch den Energie-Entzug mittels der Turbine auf die Kühltemperatur T4. Die in den Fahrzeuginnenraum einströmenden feuchten Luft (+dm_PL × dt) mit der Temperatur T4 führt über die Zumischung zu der zu kühlenden Luftmenge der Temperatur T1 im Fahrzeuginnenraum 2 zu der gewünschten Absenkung der Fahrzeuginnenraum-Temperatur. Durch die Sollwertvorgaben 66 wird die Regelung 65 durch die Signalausgabe an die betreffenden Komponenten (25, 26, 28, 30, 31, 68, 69) zumindest für die gewünschte Lufttemperatur T_1,soll und die relative Luftfeuchte φ im Fahrzeuginnenraum sorgen.
Für Kühlzwecke außerhalb des Fahrzeuginnenraums lässt sich die Durchströmung der Verrohrung 69 durch Öffnen von Ventilen bewirken. Diese geschaffenen Kühlmöglichkeiten können für bestimmte Bauteile zur Gewährleistung der Unterschreitung von thermischen Vorgaben einsetzt werden, was elektrische oder mechanisch relevante Komponenten des Antriebs wie auch z. B. Bremseinrichtungen zum Abtransport von kritischen Wärmemengen betreffen kann. Gerade bei den aufgeladenen Verbrennungsmotoren können über die Turbo-Kühl-Anlage 1 die Kühlung turbinenseitiger Komponenten des Abgasturboladers, wie auch die Ladeluft-Kühlung der Verbrennungsluft unterstützt werden.
Die Regelung der Klappe 30 der erwähnten Bypassleitung 64 der Kühlvorrichtung 6 bietet eine schnelle Aktivierungsmöglichkeit der Heizfunktion mit der nahezu fast unmittelbar vorliegenden Luft-Temperatur T2. Im Winter kommt der Heizfunktion auch für die Enteisung der Fenster zur Erhöhung der Sicherheit eine große Bedeutung zu.
Das Wassermanagement 7, das über die Regelung 65 mittelbar oder unmittelbar Zugriff auf die Komponenten Ventile 26 mit den Wassereinspritzdüsen 29 oder dem Verdampfer 28 und den Pumpen 25 mit dem Wasserspeicher 9 besitzt, sorgt in der gezeigten Schaltung der Klima-Anlage 1 neben der Kühlfähigkeit durch die Wasserzumischung zur komprimierten Luft hauptsächlich für die Schaffung der gewünschten relativen Luftfeuchte im Fahrzeuginnenraum, um das Wohlbefinden der Fahrzeuginnsassen bei widrigen Umgebungsbedingungen zu erreichen. Hierbei ist zu erwähnen, dass über das Wassermanagement 7 auch die Wasserqualität durch entsprechende Wasseraufbereitungen mittels Aktiv-Filter und weiterer biologisch bedingter Maßnahmen durchgeführt werden. Die Zumischung von Duft-Stoffen und die Verdampfung von zusätzlichem Wasser kann auf eine vorteilhaft empfundene Innenluft des Fahrzeugs weiteren Einfluss nehmen.
Die 3 zeigt die Turbo-Kühl-Anlage 1 bis auf den Kühler der Kühlvorrichtung 6, jedoch jetzt mit dem Kernstück einer Kühlvorrichtung 6, die das Wassermanagement 7 mit darstellt. Die Kühlvorrichtung 6 besteht vorwiegend aus der Vorrichtung zur Wassereinspritzung stromab des Verdichter-Rades 56 des Verdichters 4, zusammen in Verbindung mit der Entwässerungsfunktion der wasserübersättigten Luft nach der Expansionsturbine 3 zur Bereitstellung der feuchteoptimierten Fahrzeuginnenluft. Durch die Bypassierungsleitung 64 mit der Öffnung der Versperr-Klappe 30 kann die Expansionsturbine bei Nichtaktivierung der Kühleinrichtung umgangen und damit die Heizfunktion zur Wirkung gebracht werden. Vor der Expansionsturbine ist es sinnvoll eine nichtdargestellte Absperrvorrichtung vorzusehen, um die vollständige Heizfunktion bei der Bypassierung des heißen Gasgemisches zur vollen Entfaltung zu bringen.
Um den Prozess der Wassereinspritzung der 3 zu verdeutlichen, wird auf der 4 das Mollier-Diagramm mit den Zustandsverläufen schematisch skizziert. Auf der Abszisse 35 des bekannten Diagramms wird der Wasseranteil x in g/kg der trockenen Luft dargelegt und auf der Ordinate 36 die Temperatur des Wasser-Luftgemisches in C° aufgeführt. Die Linien 38 sind die konstanten Enthalpie-Linie h_1+x der feuchten Luft. Die Isolinien der konstanten Relativ-Feuchte werden mit 33 markiert. Die Linie der Relativ-Feuchte von 100%, 34, bildet die Grenze zu dem darunter folgenden Nebelgebiet 37, in dem gesättigte Luft mit Wassertropfen auftritt.
Der Zustandspunkt 40 bedeutet der energetische Totalzustand 2 nach dem Verdichter-Rad, wo stromab von diesem die Wassereinspritzung zur Zustandsänderung des Verlaufs entland der Linie 43 bis zur relativen Sättigungslinie (φ_s = 100%) mit dem Zustandspunkt 41 stattfindet. Wir befinden uns dort am Eintritt der Turbine 3, wobei in diesem Beispiel die Druckabhängigkeit im Mollier-Diagramm hier nicht berücksichtig wird. Die Expansion der Turbine 3 erfolgt nun entlang der Linie 44 bis wir den Austritt der Turbine mit dem Zustandspunkt 41 erreicht haben. Das h_1+x-Diagramm gibt uns über die Länge des Pfeils 39 den Betrag der notwendigen Entwässerung des Gas-Wassergemisches an, die stromab des Turbinenrad-Eintritts zu leisten ist, damit keine Wassertropfen in den Fahrzeuginnenraum gelangen. Der Mischungsvorgang der gesättigten Kühl-Luft zusammen mit der ggf. gesondert eingespritzten Wassermenge anhand von Wasserdampf in die Luftmenge des Fahrzeuginnenraums führt über die Sollwert-Regelung zu einem gewünschten Feuchtegrad für die Fahrzeuginsassen.
Die 5 zeigt einen typischen Radialverdichter 4 in der Meridional-Darstellung mit dem Verdichter-Rad 56, das aus der Nabe und der darauf befindlichen Rad-Beschauflung besteht. Über der Rad-Beschauflung ist das feststehende Verdichter-Gehäuse mit der Rad-Gehäusekontur und dem Funktionsspalt 51 angeordnet, der auf sehr kleine Abmessungen dimensioniert wird. Für die Klima-Anlagen-Verdichter-Räder 56, die z. B. eine Durchmesser D_V von 60 mm aufweisen, können die Rad-Gehäusespalte sich im Bereich von 0.2 mm oder sogar darunter befinden. Es gibt Entwicklungen mit abreibbaren Anlaufschichten, wodurch sogar Spaltabmessungen im 1/100-mm-Bereich realisierbar werden, was besonders bei den kleinen Durchsätzen bestimmter Klima-Anlagen von weniger als 30 g/s in Verbindung mit der günstigen Kanalradgestaltung zu den gewünschten hohen Wirkungsgraden führt.
Stromab des Verdichter-Rades folgt ein beschaufelter oder unbeschaufelter Diffusor 52 mit einer Diffusorhöhe 53 zur Verzögerung der Strömung und Anhebung des statischen Druckes. Durch die hohen Strömungsturbulenzen ergeben sich stromab des Verdichter-Rades 56 vor oder innerhalb des Diffusors 52 vorteilhafte Bedingungen zur Verdampfung des eingespritzten Wassers, das über mehrere Düsen 29 mit Loch-Durchmessern im 1/10-mm-Bereich in Drall-Richtung der Strömung über die Leitungen des Wassermanagements 7 eingespritzt werden. Die Austrittsströmung des Diffusors 52 mündet in ein üblicherweise über dem Umfang des Diffusors 52 spiralförmig gestaltetes Sammelgehäuses, deren Strömungsquerschnitte 54 im Beispiel durch sich über dem Umfange verändernde Ellipsen- und Kreissegmente geformt sind. Die Schnittstelle des Verdichters 50 endet mit dem Flanschquerschnitt 55, an der die Verrohrung der Kühlvorrichtung 6 angrenzt.
Die 6 zeigt eine typische Radialturbine 3 in der Meridional-Darstellung mit dem Turbinen-Rad 57, das aus der Nabe und der darauf befindlichen Rad-Beschauflung besteht. Über der Rad-Beschauflung ist das feststehende Turbinen-Gehäuse 59 mit der Rad-Gehäusekontur und dem Funktionsspalt angeordnet, der auf sehr kleine Abmessungen dimensioniert wird. Für die Klima-Anlagen-Turbinen-Räder 57, die z. B. eine Durchmesser D_T von 40 mm aufweisen, können die Rad-Gehäusespalte sich im Bereich von 0.2 mm oder sogar darunter befinden. Es gibt bei den Kaltluft-Turbinen Entwicklungen mit abreibbaren Anlaufschichten, wodurch sogar Spaltabmessungen im 1/100-mm-Bereich realisierbar werden, was besonders bei den kleinen Durchsätzen bestimmter Klima-Anlagen von weniger als 30 g/s in Verbindung mit der günstigen Kanalradgestaltung zu den gewünschten hohen Wirkungsgraden führt. Dies wird durch die erfindungsgemäßen sehr hohen elektromotorischen Drehzahlen, die durch die feste Kopplung zum elektrischen Rotor den Turbinen- und Verdichter-Rad-Drehzahlen entsprechen, ermöglicht. Beim Einsatz der Kaltluft-Turbinen 3 in den Turbokühl-Anlagen 1 für die PKW-Anwendungen sind Turbinendurchsatzparameter ϕ_T bis unterhalb dem Wertebereich von 0.2 kg/s √K/bar gut vorstellbar, der nur durch die sehr hohen Drehzahlen der Turbinenrädern 57 mit vorteilhaften Wirkungsgraden zur Kälteerzeugung bei relativ geringem elektrischen Energieaufwand für den Gesamtrotor, zusammen mit dem Verdichter-Rad 56, nutzbar wird.
Stromauf des Turbinenrades-Rades 57 ist eine leitbeschaufelte oder unbeschaufelte Düse 58 mit einer Düsen- bzw. Leitschaufelhöhe zur Beschleunigung der Strömung und Anhebung der leistungsrelevanten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet. Durch die hohen absoluten Umfangsgeschwindigkeiten des Luft-Wassergemisches im drehenden Turbinenrad 57 ergeben sich sehr günstige Bedingungen zur Entwässerung von wasserübersättigter Luft, wodurch folgendes Kernmerkmal der Entwässerung bedingt ist.
Als Kontureinsatz 60 des Turbinenrades 57 wird deshalb vorteilhafterweise ein poröses Ringelement mit hoher Kapillarwirkung hinsichtlich der ausfallenden Wassertropfen eingesetzt. Die heterogene Porosität des Bauteils wird ringförmig soweit inhomogen gestaltet, dass die Kapillarwirkung mit dem Durchmesser radial bis zum offenen und regelbar versperrbaren Ring-Raum 61 zunimmt, wodurch quasi eine Absaugwirkung hinsichtlich der Wassertropfen entsteht. Die Pfeile 62 deuten in prinzipieller Form auf den Weg hin, der durch die Strömungszentrifugalkräfte und Kapillarwirkungen des porösen Bauteils 60 sich einstellt und zur wirkungsvollen Extraktion des Wassers aus der feuchtegesättigten Luft führt. Das im Ring-Raum 61 befindliche Wasser wird in Richtung des Pfeils 63 dem über die Regelung 65 kontrollierten Wassermanagement 7, bzw. dem Wasserspeicher 9 oder dem Verdampfer und Wasserspeicher 28 zugeleitet.
Eine Konzeption von Turbo-Klima-Anlagen 1 für Fahrzeuge, die mit einem Brennstoffzellen-Antrieb 70, 71 ausgestatten sind, geht aus der 7 hervor. Die Brennstoffzellen-Luftversorgung 71 besteht aus hochdrehenden Turbomaschinen 4, 3, die mit einem Rotor eines Elektromotors 5, M fest gekoppelt sind. Stromab des Luftkühlers 6 der Brennstoffzelle/Turbo-Kühl-Anlage zweigt eine Verrohrung zu einer Schaltvorrichtung 73 ab. Die Schaltvorrichtung 73 des Beispiels hat die Aufgabe eine Absperrung der feuchten Luft zu bewirken oder die Expansionsturbine 3a der Klima-Anlage 1 für die Kühlfunktion zu beaufschlagen. Die Expansionsturbine 3a gibt die in die mechanische Form umgewandelte Energie an den hochdrehenden Generator G über die Leitung 74 zur Einspeisung in das elektrische Brennstoffzellen-System (70, 71) als elektrischer Rückgewinnungsanteil zurück. Die Schaltvorrichtung 73a hingegen hat die Aufgabe eine Absperrung 64 der Verrohrung der heißen, feuchten Luft zu bewirken oder das Bypassierungsrohr 64 der Expansionsturbine 3a der Klima-Anlage 1, das mit dem Fahrzeuginnenraum 2 über eine Schalldämpfungsmaßnahme 27 verbunden ist, für die Heizfunktion zu öffnen.
Die Sichtbarmachung des Optimal-Bereichs 80 der Turbo-Klima-Anlage, der über die Hauptabhängigkeit der Verdichter-Merkmale hohe Drehzahl n_V,D und Verdichter-Raddurchmesser D_V gegeben ist, zeigt die 8 in Diagrammform. Die Abszisse ist somit der Verdichter-Raddurchmesser D_V und die Ordinate n_V,D die Auslegungsdrehzahl der Turbo-Klima-Anlage 1 bei der die erfindungsgemäße Klima-Anlagen-Kennzahl zumindest K_π = 4500 m/min des Strömungsverdichters beträgt. Die Klima-Anlagen-Kennzahl steht mit den thermodynamischen Größen, wie der zu kühlenden Fahrzeuginnenraum-Temperatur T₁, dem Verdichterdruckverhältnis π_V und den gasspezifischen Größen, Isentropenkoeffizient κ und spezifische Gaskonstante R, in folgendem Zusammenhang:
Der gepunktete Bereich über der Kurve 81 führt auf optimale Bedingungen der Gestaltung der Strömungsverdichter, wobei die feste Kopplung zur Turbine für die genannte Klima-Anlagen-Kennzahl K_π beste Voraussetzungen auch für die Turbinenoptimierung durch eine weitere Durchmesser-Reduktion des Turbineneintrittsdurchmessers D_T aufgrund der auf T₃ abgekühlten Eintrittstemperatur bietet, in dem die Schnell-Laufzahl U/C₀ der Turbine aus den thermodynamischen Zustandspunkten durch die Geometriefestlegung in den Bereich um die 0.7 zum Liegen kommt. Diese Durchmesserverkleinerung der Verdichter-, wie auch Turbinenseite in Verbindung mit der Ermöglichung der Erhöhung der Schnell-Läufigkeit der Strömungsmaschinen durch die hochdrehenden elektrischen Maschinen steigert die Attraktivität der Entwicklungen der zukünftigen Turbo-Kühl-Anlagen im besonderen Maße für die elektrisch angetriebenen Fahrzeuge aller Art, wobei für Turbomaschinen die gewünschten außergewöhnlich kleine Durchsätze die Optimierung dominierend bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Turbokühl-Anlage
2: Kühlraum, Fahrzeuginnenraum
3, 3a: Expansionsturbine, Radialturbine
4: Strömungsverdichter, Radialverdichter
5: hochdrehender Elektromotor
6: Kühlvorrichtung
7: Vorrichtung Wassermanagement
8: Lagerung (verdicher- und turbinenseitig)
9: Wasserspeicher und ggf. Duftstoffspeicher
10: X-Achse: Entropie
11: Y-Achse: Totaltemperatur
12: Isobare P1, P4: Druck in Fahrzeuginnenraum
13: Isobare P2: Druck nach Verdichter vor Kühlprozess und Expansion
14: Isobare P3: Druck nach Kühlprozess vor Expansion
15: Kompressionslinie des angesaugten Luft-Wasser-Gemisches
16: Linie der Zustandsänderung des Luft-Wasser-Gemisches vor der Expansion
17: Expansion und Energieabgabe des Luft-Wasser-Gemisches entlang der Turbinen-Expansionslinie
18: Pfeil Wassereinspritzung
18a: Pfeil der definierten Wasserfeuchte des Luft-Wasser-Gemisches
19: Temperaturdifferenz zwischen einströmendem zum ausströmenden Medium des Luft-Wasser-Gemisches
20: Pfeilsymbol der Wärmeabgabe des Luft-Wasser-Gemisches
25: Wasserpumpe
26: Ventile
27: akustisch beeinflussende Vorrichtungen und Sammelräume
28: Wasserbehälter und Verdampfer
29: Einspritzdüsen des Feuchtemanagements
30: Klappe zur Aktivierung des Heizkanals
31: Stromleitung Elektromotor
33: Isolinie φ = const. Feuchtegrad
34: Isolinie φ = 100% Feuchtegrad => Sättigung
35: Abszisse X: Wassergehalt der trockenen Luft
36: Ordinate Y: Temperatur der feuchten Luft
37: Übersättigungsbereich (Nebelgebiet)
38: Isolinien der Enthalpie: trockene Luft + Feuchteanteil
39: Wasserabscheidung durch Übersättigung bei Temperaturabnahme
40: Total-Enthalpie-Zustand nach Verdichterrad
41: Total-Enthalpie-Zustand vor Turbine (ohne Druckberücksichtigung entlang der Sättigungslinie)
42: Total-Enthalpie-Zustand nach Turbine
43: Linie der Wassereinspritzung nach Verdichterrad (z. B. Diffusor) bis Sättigungslinie, bzw. Nebelgebiet erreicht
44: Linie der Sättigung, entlang der der Wasserausfall bei der Expansion in der Turbine stattfindet
51: Verdichtergehäuse-Radspalt
52: Diffusor
53: Diffusorbreite
54: Spiralenquerschnitt As_Verdichter aus Kreis k und Ellipse e gestaltet
55: Verdichter-Austrittsflanschquerschnitt
56: Verdichterrad aus Nabe und Beschauflung in der Meridionaldarstellung
57: Turbinenrad aus Nabe und Beschauflung in der Meridionaldarstellung
58: Turbinenleitgitter
59: Turbinengehäuse, Spiralenquerschnitt As_Turbine
60: Poröser, wasserdurchlässiger Radkontureinsatz mit hoher Kapillarwirkung
61: offener und versperrbarer Ringkanal
62: Richtungspfeile von auszentrifugierten Wassertropfen
63: Richtungspfeil zum Wasserdepot 9 und/oder Kondensator-Verdampfer 28
64: Heizkanal
65: Sollwertregelung des Kühlraumes
66: Signalleitung aus Kühlraum
67: Signalleitungen zu den regelbaren Komponenten
68: regelbare externe Luftzufuhrleitung (Klappen, Filter)
69: regelbare externe Kühlluftableitung zu weiteren Aggregaten
70: Brennstoffzellenvorrichtung
71: Brennstoffzellenluftversorgung auf Basis von hochdrehenden Strömungsmaschinen, Turboluft-Aggregat
72: Entwässerungsvorrichtung
73: Ventil mit der Funktion Kühlkanal 6 auf/zu
73a: Ventil mit der Funktion Heizkanal 64 auf/zu
74: Stromleitung Generator
80: Optimalbereich der Zuordnung von n_V,D zu D_V
81: Funktionskurve
dt: Zeitinkrement
D_V: Verdichterrad-Austrittsdurchmesser (m)
D_T: Turbinenrad-Eintrittsdurchmesser (m)
G: Generator
K_π: Klima-Anlagen-Kennzahl des Strömungsverdichters in (m/min)
κ: Isentropenexponent der feuchten Luft (–)
m_Luft: Feuchte Luftmasse in Kühlraum (kg/s)
m_pL: Massenstrom feuchte Luft (kg/s)
M: hochdrehender Elektromotor
n_V,D: Verdichterdrehzahl im Nennpunkt in (1/min)
π_V: Verdichterdruckverhältnis (–)
π: Zahl 3.1415...
P₁: Druck im Kühlraum (bar)
R: Spezifische Gaskonstante feuchte Luft (J//kgK)
T₁: Temperatur im Kühlraum und Ansaugtemperatur (K)
T₄: Temperatur der ausströmenden feuchten Luft (K)
T: H2-Tank
φ: Relative Luftfeuchte in (%)
ϕ_T: Turbinendurchsatzparameter: m_pL √T3/P3 in (kg/s √K/bar)
U/C₀: Turbinenschnell-Laufzahl (–)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 2831129 [0005]
DE 102011119881 A1 [0007]

Claims

Turbo-Klima-Anlagen (1) für Fahrzeuge, die mit Verbrennungskraftmaschinen, Hybridantrieben, Brennstoffzellen (70) oder rein elektrisch betrieben werden, ausgestattet mit den Komponenten Strömungsverdichter (4), der Kühleinrichtung (6) und der Expansionsturbine (3), wobei die Eintrittsverrohrungen des Strömungsverdichters (4) und die Austrittsverrohrungen der Expansionsturbine (3, 3a) mit dem Fahrzeuginnenraum (2) mittelbar oder unmittelbar verbunden sind und die zu kühlende Luft im Wesentlichen direkt das Kältemittel darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass deren Antrieb einen hochdrehenden Rotor einer elektrischen Maschine (5, G), der mit den Turbo-Laufrädern (56, 57) des Verdichters (4) und der Turbine (3) fest fixiert ist, besitzt und dass die Kennzahl des schnelldrehenden, elektrisch, direkt angetriebenen Turboverdichters (4) im Nennpunkt der Klima-Anlage zumindest K_π = 4500 m/min beträgt und die Auslegungsdrehzahl den Bereich n_V,D > K_π/D_V in Abhängigkeit zum Verdichter-Rad-Durchmessers D_V einnimmt.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagerung (8) der elektrischen Maschine (5, G) als Luftlagerung ausgebildet ist.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (6) mit mindestens einem Wasserbehälter (9), einer Düse (29) und einer Pumpe (25) für die Wassereinspritzung in den Kühlluftstrom ausgestattet ist.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Kühlluftvorrichtung (6) unabhängig geführte Bypass-Leitung (64) stromab dem Verdichter (4) mit der Mündung zum Fahrzeuginnenraum (2) besteht, in der sich ein regelbares Ventil oder Klappe (30) befindet.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Fahrzeuginnenraums (2) zum Einen die Verdichter-Eintrittsverrohrung eine regelbare Luftzuführleitung (68), die eine Luftfilter-Einrichtung beinhaltet und zum Anderen stromab der Expansionsturbine eine regelbare Kühlluft-Abströmleitung (69), die mit zu kühlenden Komponenten, insbesondere zu Fahrzeugteilen in Verbindung steht, vorliegt.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (65) als Eingangsgrößen (66) zumindest, die Informationen zu den Temperaturen T1, T4 und der Luftfeuchte aus dem Fahrzeuginnenraum erhält, und die Ausgangssignale (67) den Aktuatoren und betreffenden Komponenten (25, 26, 28, 30, 31, 68, 69) über Signalleitungen zugeführt wird.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzellenvorrichtung (70) mit einem elektrisch angetriebenen Turbo-Luftaggregat (71) ausgestattet ist, wobei der Expansionsturbine (3a), die mit einem Generator (G) verbunden ist, ein Teilmassenstrom stromab des Turboverdichters (4) der Brennstoffzellen-Luftversorgung (71) über ein regelbares Ventil (73) zugeleitet wird.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (3, 3a) im Radaußenkonturbereich (60, 61) eine Entwässerungsvorrichtung besitzt, die im Wesentlichen über poröse, wasseraufsaugende Kern-Bauteile, insbesondere Radkontur-Einsätze, gestaltet wird.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühl-System (1) ein Wasserverdampfer (28) vorliegt, der mittels der Regelung eine Sollfeuchte des Fahrzeuginnenraumes (2) mit bewerkstelligt.
Turbo-Klima-Anlagen nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in deren Komponenten (9, 25, 29) und deren Luft-Wasser-Führungen Aktiv-Filter vorliegen und Duftstoffe speicherbar sind und dem Fahrzeuginnenraum über Abrufvorrichtungen oder Regelungen (65) eingebracht werden.