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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Luftkonditionierungssystem mit einem Klimakreislauf zum Erwärmen und/oder Kühlen von Klimatisierungsluft, insbesondere für Innenräume von Fahrzeugen, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen oder schienengebundenen Personenwagen.
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Technischer Hintergrund
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Luftkonditionierungssysteme, wie zum Beispiel Klimaanlagen, dienen dazu, Innenräume von Fahrzeugen oder Gebäuden zu klimatisieren, d.h. Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit von Klimatisierungsluft zu ändern bzw. einzustellen. Herkömmliche Luftkonditionierungssysteme können Luft als Kältemittel als sogenannte Prozessluft verwenden und mit Hilfe eines ersten Wärmeübertragers in einen Innenraum einzubringende Klimatisierungsluft zu kühlen und gegebenenfalls zu entfeuchten und anschließend die gekühlte und/oder entfeuchtete Klimatisierungsluft bedarfsabhängig mit Hilfe eines zweiten Wärmeübertragers auf eine einzustellende Temperatur aufzuwärmen.
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Aus der Druckschrift
DE 102 35 230 A1 ist ein solches Luftkonditionierungssystem mit einem offenen Unterdruckprozess bekannt. Der offene Unterdruckprozess weist eine Entspannungsturbine auf, die einem Wärmetauscher vorgeschaltet ist, und einen Verdichter auf, der dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist. Umgebungsluft wird in dem offenen Unterdruckprozess der Entspannungsturbine zugeführt und unter Temperaturabsenkung auf einen niedrigeren Druck entspannt. Die so entspannte Luft wird dem Wärmetauscher zugeführt, um dort die von einem Klimakreislauf abgegebene Wärmemenge aufnehmen zu können. Die so erwärmte Prozessluft wird über einen Kompressor auf Umgebungsdruck verdichtet, wobei sich die Temperatur weiter erhöht. Zur Temperierung der in dem Wärmetauscher abgekühlten Luft ist eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen, die unter Zufuhr von elektrischer Energie die Temperatur der in den Verbraucher zuzuführenden Luft einstellt.
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Die Druckschrift
DE 43 08 630 offenbart einen kombinierten Kaltluftmaschinenkühl- und -heizprozess zum Klimatisieren eines Raumes mit einem offenen Arbeitsprozess im Unterdruckbereich.
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Die Druckschrift
DE 34 44 012 C2 offenbart eine Klimaanlage mit Luftumwälzung, die einen Verdichter zur Verdichtung der zugeführten Luft aufweist. Der Ausgang des Verdichters ist mit dem Eingang einer Expansionsturbine verbunden. Die Expansionsturbine dient zur Entspannung und Kühlung der verdichteten Luft und damit zur Kühlung eines Arbeitskörpers, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang der Expansionsturbine ein Wärmeübertrager zur Kühlung der verdichteten Luft vor der Entspannung in der Turbine angeordnet ist. Es ist ein Wärmeübertrager vorgesehen, der Wärme an die Umgebung abgibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Luftkonditionierungssystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Luftkonditionierungssystems gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Luftkonditionierungssystem zum Bereitstellen von Klimatisierungsluft in einen Innenraum, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgesehen, umfassend:
- – eine Entspannungseinrichtung zum Bereitstellen von entspannter und gekühlter Prozessluft;
- – einen ersten Wärmeübertrager, dem die entspannte und gekühlte Prozessluft zuführbar ist und der in einem Klimatisierungsluftstrom angeordnet ist, um den Klimatisierungsluftstrom zu kühlen und/ zu entfeuchten;
- – einen dritten Wärmeübertrager, dem die entspannte und gekühlte Prozessluft zuführbar ist und der mit einer Wärmequelle zur Aufnahme von Wärme gekoppelt ist;
- – eine Ventilanordnung, um die entspannte und gekühlte Prozessluft einstellbar dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager zuzuführen;
- – einen Verdichter, um die durch den ersten Wärmeübertragerund/oder dritten Wärmeübertrager geströmte entspannte Prozessluft zu verdichten und dadurch zu erwärmen;
- – einen zweiten Wärmeübertrager, dem die verdichtete und erwärmte Prozessluft zugeführt wird und der in dem Klimatisierungsluftstrom angeordnet ist, um den Klimatisierungsluftstrom zu erwärmen.
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Bei einem offenen Unterdruckprozess wird Prozessluft aus der Umgebung entnommen und von einer Expansionsturbine auf ein zur Umgebung hin niedrigeres Druckniveau entspannt. Dabei erfolgt eine Temperaturabsenkung der Prozessluft. Über einen ersten Wärmeübertrager kann dann eine Wärmeübertragung auf einen Klimatisierungsluftstrom erfolgen. Dem ersten Wärmeübertrager nachgeordnet wird die Prozessluft über einen Verdichter auf mindestens Umgebungsdruck verdichtet und anschließend durch einen zweiten Wärmeübertrager, der stromabwärts zu dem ersten Wärmeübertrager im Klimatisierungsluftstrom angeordnet ist, geführt in die Umgebung abgeleitet. Der zweite Wärmeübertrager kann Wärme von der durch den Verdichtungsprozess erwärmten Prozessluft abgeben und so den von dem ersten Wärmeübertrager abgekühlte und/oder entfeuchtete Klimatisierungsluftstrom in einstellbarer Weise auf eine vorgegebene Temperatur erwärmen.
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Die Kopplung des Klimatisierungsluftstroms mit dem zweiten Wärmeübertrager kann variabel ausgelegt sein, so dass die vom Klimatisierungsluftstrom aufzunehmende Wärmemenge einstellbar ist. Prinzipbedingt kann ein solches System den Klimatisierungsluftstrom mit einer zur Umgebungstemperatur niedrigeren Temperatur oder entfeuchtete Klimatisierungsluft bei einer Temperatur bereitstellen.
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Um die Möglichkeit bereitzustellen, die Klimatisierungsluft zu erwärmen, werden bisher elektrische Heizvorrichtungen in dem Strom der Klimatisierungsluft angeordnet oder separate Wärmepumpen vorgesehen, um eine Erwärmung der Klimatisierungsluft deutlich über das Niveau der Umgebungstemperatur zu erreichen. Das obige Luftkonditionierungssystem sieht vor, zusätzlich zu dem ersten und zweiten Wärmeübertrager eine Wärmepumpe mit einem dritten Wärmeübertrager vorzusehen, der aus der Umgebung und/oder einer sonstigen Wärmequelle entnommene Wärme auch über den zweiten Wärmeübertrager an die Klimatisierungsluft abgeben kann. Gleichzeitig kann der dritte Wärmeübertrager den ersten Wärmeübertrager ganz oder teilweise umgehen, um keine oder eine verringerte vorangehende Kühlung des Klimatisierungsluftstroms zu bewirken. Dazu wird in dem offenen Unterdruckprozess die Prozessluft in einer eine Entspannungseinrichtung entspannt, die dadurch entsprechend abkühlt und über eine Ventilanordnung an den ersten Wärmeübertrager geleitet, der sich in dem Klimatisierungsluftstrom befindet, und/oder an einen dritten Wärmeübertrager geleitet, so dass die gekühlte Prozessluft durch Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung und/oder einer sonstigen Wärmequelle erwärmt wird. Sowohl die Prozessluft aus dem ersten Wärmeübertrager als auch die Prozessluft aus dem dritten Wärmeübertrager werden dem Verdichter zugeführt, der die Prozessluft verdichtet und dadurch erwärmt und dem zweiten Wärmeübertrager zuführt, der eine einstellbare Erwärmung des Klimatisierungsluftstroms bewirkt.
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Durch die Anordnung des dritten Wärmeübertragers mit Hilfe der Ventilanordnung ausgangsseitig der Entspannungseinrichtung kann in einfacher Weise eine Wärmepumpe in ein herkömmliches Luftkonditionierungssystem integriert werden, das die Abgabe von Wärmeenergie an den Klimatisierungsluftstrom durch den zweiten Wärmeübertrager ermöglicht. Durchströmt die Prozessluft den dritten Wärmeübertrager, kann Wärmeenergie aus der Umgebung und/oder einer sonstigen Wärmequelle aufgenommen werden, so dass eine nennenswerte Erwärmung der Klimatisierungsluft in dem zweiten Wärmeübertrager erreicht wird. Durch die vollständige oder teilweise Umgehung des ersten Wärmeübertragers erfolgt keine vorangehende Abkühlung des Klimatisierungsluftstroms, so dass der zweite Wärmeübertrager den Klimatisierungsluftstrom besonders effizient erwärmen kann.
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Weiterhin kann die Wärmequelle einer Umgebungsluft, einer Abwärme aus elektrischen Vorrichtungen, insbesondere eines Elektromotors, einer Leistungselektronik und/oder einer Batterie, oder einer aus dem Innenraum entnommenen Luft entsprechen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Entspannungseinrichtung und der Verdichter miteinander mechanisch gekoppelt sind, um aus der Entspannung der Prozessluft gewonnene Energie für die Verdichtung der Prozessluft bereitzustellen, wobei die Entspannungseinrichtung und der Verdichter insbesondere mit einem gemeinsamen bevorzugt regelbaren Elektroantrieb angetrieben sind.
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Die Ventilanordnung kann als ein proportional und/oder schaltbares Dreiwegeventil ausgebildet sein, dass die von der Entspannungseinrichtung bereitgestellte entspannte Prozessluft an den ersten Wärmeübertrager oder an den dritten Wärmeübertrager oder einstellbar aufgeteilt an den ersten und den dritten Wärmeübertrager leitet
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Gemäß einer Ausführungsform kann der erste und der dritte Wärmeübertrager ausgangsseitig über eine T-Verbindung, insbesondere ventillos, miteinander und mit einer Eingangsseite des Verdichters verbunden sein.
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Weiterhin kann der zweite Wärmeübertrager mit einer Einstellanordnung versehen sein, um die durch den Klimatisierungsluftstrom aufzunehmende Wärme der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung variabel einzustellen.
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Die Entspannungseinrichtung kann ausgebildet sein, um Prozessluft aus der Umgebung anzusaugen, und der zweite Wärmeübertrager kann ausgebildet sein, um Prozessluft in die Umgebung und/oder als Wärmequelle an den dritten Wärmeübertrager abzugeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Luftkonditionierungssystems zum Bereitstellen von Klimatisierungsluft in einen Innenraum, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgesehen, umfassend:
- – Entspannen und Kühlen von Prozessluft;
- – Kühlen und/oder Entfeuchten eines Klimatisierungsluftstroms in einem ersten Wärmeübertrager, dem die entspannte und gekühlte Prozessluft zuführbar ist und/oder Erwärmen der entspannten und gekühlten Prozessluft in einem dritten Wärmeübertrager;
- – Verdichten der durch den ersten Wärmeübertrager und/oder dritten Wärmeübertrager geströmten entspannten Prozessluft, die dadurch erwärmt wird;
- – Erwärmen des Klimatisierungsluftstroms in einem zweiten Wärmeübertrager, dem die verdichtete und erwärmte Prozessluft zugeführt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Luftkonditionierungssystems zur Klimatisierung von Klimatisierungsluft für einen Innenraum, insbesondere ein Fahrzeug.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist ein Luftkonditionierungssystem 1, insbesondere für einen Innenraum eines Fahrzeugs, dargestellt. Das Luftkonditionierungssystem 1 dient dazu, Klimatisierungsluft K für einen Innenraum 2 bereitzustellen. Die Klimatisierungsluft kann dabei einer Umgebung oder zumindest teilweise aus dem Innenraum 2 als Umluft (gestrichelt dargestellt) entnommen werden. Der Klimatisierungsluftstrom K wird durch ein Gebläse 3 bewirkt und strömt durch einen ersten Wärmeübertrager 4 und einen zweiten Wärmeübertrager 5.
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Der erste Wärmeübertrager 4 befindet sich im Klimatisierungsluftstrom und dient zum Kühlen und/oder Entfeuchten der Klimatisierungsluft K, und der zweite Wärmeübertrager 5 dient zum Erwärmen der von dem ersten Wärmeübertrager 4 gekühlten und/oder entfeuchteten Klimatisierungsluftstrom K.
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Der zweite Wärmeübertrager 5 dient dazu Wärme an den Klimatisierungsluftstrom K abzugeben. Der zweite Wärmeübertrager 5 kann mit Klappen 6 versehen sein, die stromauf- und/oder -abwärts einstellbar sind, so dass das Maß der von dem zweiten Wärmeübertrager 5 an den Klimatisierungsluftstrom übertragene Wärmemenge einstellbar ist.
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Zum Betreiben der Wärmeübertrager 4, 5 ist ein Prozessluftstrom vorgesehen, bei dem aus der Umgebung und/oder dem Innenraum Umgebungsluft unter Umgebungsdruck durch eine Entspannungseinrichtung 7 angesaugt und dabei entspannt wird, so dass diese auf ein Druckniveau unter dem Umgebungsdruck gebracht wird. Dabei wird die Prozessluft abgekühlt. Die so entspannte Prozessluft wird einer Ventilanordnung 8 zugeführt, die beispielsweise als proportional einstellbares oder schaltbar ausgeführtes Dreiwegeventil 8 ausgeführt sein kann. Das Dreiwegeventil 8 kann einstellbar die Prozessluft an den ersten Wärmeübertrager 4 oder an einen dritten Wärmeübertrager 9 führen.
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Der dritte Wärmeübertrager 9 dient dazu, die abgekühlte und entspannte Prozessluft P1 mithilfe von Umgebungswärme und/oder einer Wärmequelle 15 zu erwärmen. Dazu kann die aus dem zweiten Wärmeübertrager 6 strömende Prozessluft, die Abluft des Innenraums 2 oder Wärme von sonstigen Wärmequellen, wie z.B. von einer Batterie, einem Elektromotor, einer Leistungselektronik oder dergleichen, und/oder die Umgebungswärme verwendet werden.
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Ausgangsseitig sind der erste Wärmeübertrager 4 und der dritte Wärmeübertrager 9 über eine T-Verbindung 10 miteinander und mit einem Verdichter 11 verbunden. Der Verdichter 11 verdichtet die unter Unterdruck stehende Prozessluft P1 mindestens auf das Niveau des Umgebungsdrucks, die sich dadurch erwärmt. Die so verdichtete Prozessluft P2 wird dem zweiten Wärmeübertrager 5 zugeführt. Durch die Verdichtung wird die Prozessluft erwärmt, und die Wärme kann in einem durch die Klappen 6 vorgegebenen Maß über den zweiten Wärmeübertrager 5 an den Klimatisierungsluftstrom K abgegeben werden.
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Die Prozessluft, die den zweiten Wärmeübertrager 5 durchströmt hat, kann in die Umgebung abgeleitet werden oder als Wärmequelle 15 dem dritten Wärmeübertrager zugeführt werden, so dass verbleibende Restwärme dort auf die abgekühlte Prozessluft P1 übertragen werden kann. Werden weitere Wärmequellen genutzt, erfolgt die Einkopplung der Wärme entsprechend der Temperaturniveaus, wobei die Wärmequelle mit dem niedrigsten Temperaturniveau zuerst und die Wärmequelle mit dem höchsten Temperaturniveau zuletzt eingekoppelt wird.
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Um die von der Entspannungseinrichtung 7 im offenen Unterdruckprozess freigesetzte mechanische Energie zu nutzen, kann vorgesehen sein, dass diese mechanische Energie direkt an den Verdichter 11 übertragen wird. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass die Entspannungseinrichtung 7 und der Verdichter 11 auf einer gemeinsamen Welle 12 angeordnet sind. Vorzugsweise sind an dieser Welle noch eine regelbare Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel ein Elektromotor 13, angeordnet, um die mechanische Leistungsbilanz zwischen Entspannungseinrichtung 7 und Verdichter 11 zu kompensieren.
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Um schnell und flexibel auf Heiz- und Kühlanforderungen reagieren zu können, kann weiterhin vorgesehen sein, die Ventileinrichtung 8 sowohl stetig (proportional) oder schaltend von außen anzusteuern, so dass durch die Ventilanordnung 8 auch Zwischenstellungen erreicht werden, bei der die abgekühlte und unter Unterdruck stehende Prozessluft P1 in bestimmten Regelungspunkten sowohl zum Teil an den zweiten Wärmeübertrager 4 als auch zum Teil an den dritten Wärmeübertrager 9 geleitet wird, d.h. in vorgegebener Weise aufgeteilt wird.
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Der dritte Wärmeübertrager 9 kann sowohl Wärme aus der Umgebung als auch aus angeschlossenen Wärmequellen aufnehmen. So können beispielsweise auch die Abwärme von einer Traktionsbatterie, eines Elektromotors sowie einer Leistungselektronik dem dritten Wärmeübertrager 9 zugeführt werden.
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Die Verwendung eines offenen Unterdruckprozesses hat den Vorteil, dass in einfacher Weise eine Wärmepumpenanordnung integriert werden kann.
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Das obige Luftkonditionierungssystem 1 ermöglicht es in einfacher Weise, die Temperatur der Klimatisierungsluft durch Abschalten der durch den zweiten und dritten Wärmeübertrager 5, 9 gebildeten Wärmepumpe und durch eine Klappenstellung an dem zweiten Wärmeübertrager 5 bereitzustellen. Eine Entfeuchtung des Klimatisierungsluftstroms K kann erreicht werden, indem eine Kühlung über den ersten Wärmeübertrager 4 vorgenommen wird und die dadurch abgekühlte Klimatisierungsluft durch eine entsprechende Klappenstellung an dem zweiten Wärmeübertrager 5 wieder durch die Abwärme des zweiten Wärmeübertragers 5 erwärmt wird.
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Eine Erwärmung der Klimatisierungsluft kann erreicht werden, indem durch die Ventilanordnung 8 der erste Wärmeübertrager 4 nicht von Prozessluft durchströmt wird und so die erwärmte, unter Unterdruck stehende Prozessluft P1 über den Verdichter 11 verdichtet wird und somit eine weitere Temperaturerhöhung der Prozessluft erfolgt, die es ermöglicht, dass der zweite Wärmeübertrager 5 die Klimatisierungsluft über das Temperaturniveau des eintretenden Klimatisierungsluftstroms erwärmen kann.
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Die Anordnung der Ventilanordnung unmittelbar stromabwärts der Entspannungseinrichtung ermöglicht es in einfacher Weise, z.B. mit einem Dreiwegeventil eine Umschaltung zwischen einem Kühlen/Entfeuchten der Klimatisierungsluft und einem Erwärmen der Klimatisierungsluft zu erreichen. Die T-Verbindung 10 selbst muss kein Ventil aufweisen, da die Ventilanordnung 8 eine Absperrung des genannten Strömungszweigs bewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10235230 A1 [0003]
- DE 4308630 [0004]
- DE 3444012 C2 [0005]
