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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeugs.
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Die Klimatisierung eines Fahrzeugs erfolgt üblicherweise mittels eines Klimatisierungssystems. Ein solches Klimatisierungssystem dient insbesondere der Wärmeabfuhr und damit der Erzeugung von Kälte, wodurch eine Kühlung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs ermöglicht wird. Zur Erzeugung von Kälte wird beispielsweise eine Kompressionsklimaanlage verwendet, mit einem Kompressor, einem Verdampfer, einem Expansionsventil und einem Kondensator. Der Kompressor muss entsprechend angetrieben werden und ist hierzu beispielsweise an den Riementrieb des Fahrzeugs gekoppelt. Der Betrieb eines Kompressors führt typischerweise zu einer starken Geräuschentwicklung.
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Alternativ ist auch die Verwendung einer Adsorptionsanlage möglich, wie beispielsweise in der
DE 10 2014 215 891 A1 beschrieben. Eine solche Absorptionsklimaanlage weist ein Sorptionsbett auf, in welchem ein Sorbens, z.B. Zeolith, angeordnet ist, welches mit einem Sorbat, z.B. Wasser, beladen werden kann und dabei Wärme abgibt. Umgekehrt ist es möglich, durch Wärmezufuhr das Sorbat wieder zu verdampfen und das beladene Sorbens zu trocknen. Die benötigte Wärme kann der Umgebung entnommen werden, wodurch ein Kühleffekt erzielt wird. Das Sorptionsbett wird dabei zwingend zyklisch be- und entladen, d.h. eine Heizung oder Kühlung ist nicht kontinuierlich möglich, sondern lediglich phasenweise.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit verbesserter Klimatisierung anzugeben. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeugs angegeben werden. Insgesamt soll mittels eines geeigneten Klimatisierungssystems eine möglichst durchgängige Kühlung gewährleistet sein und selbiges im Betrieb möglichst leise sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Fahrzeug sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt. Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug gelöst. Vorteile und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich entsprechend aus den Ausführungen zum Fahrzeug und zum Verfahren.
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Das Fahrzeug weist einen Fahrgastraum auf, in welchem sich Insassen aufhalten können. Weiterhin weist das Fahrzeug ein Klimatisierungssystem auf, mit einem Wärmespeicher und mit einer Absorptionsklimaanlage, welche einen Verdampfer, einen Absorber und einen Kocher aufweist. Zudem ist eine Steuereinheit angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass diese einen erster Kühlbetrieb einstellt.
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Im ersten Kühlbetrieb wird der Fahrgastraum gekühlt, indem in dem Verdampfer ein Kältemittel verdampft wird, d.h. es wird verdampftes Kältemittel erzeugt. Das verdampfte Kältemittel wird in einem Absorber von einem Absorptionsmedium absorbiert, d.h. es wird absorbiertes Kältemittel erzeugt. Insbesondere wird dadurch das verdampfte Kältemittel dem Verdampfer entzogen, sodass weiteres, flüssiges Kältemittel nachströmt und eine kontinuierliche Kühlung realisiert ist. Weiterhin wird das insbesondere absorbierte Kältemittel in einem Kocher freigesetzt, indem das Absorptionsmedium mit Heizwärme beheizt wird. Dabei wird die Heizwärme von dem Wärmespeicher bereitgestellt.
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Insgesamt ergibt sich somit für das Kältemittel ein Kreislauf, in welchem das Kältemittel zunächst im Verdampfer Wärme aufnimmt und verdampft wird. Anschließend wird das Kältemittel dem Verdampfer mittels des Absorbers entzogen, um weiteres Kältemittel nachströmen zu lassen. Das Absorptionsmedium ist dann mit Kältemittel beladen. Das beladene Absorptionsmedium wird dann dem Kocher zugeführt, um dort mittels Wärmezufuhr das Kältemittel wieder freizusetzen und das Absorptionsmedium zu regenerieren. Das regenerierte Absorptionsmedium wird erneut dem Absorber zugeführt. Das freigesetzte Kältemittel wird dem Verdampfer wieder zugeführt. Zweckmäßigerweise wird das freigesetzte Kältemittel in einem Kondensator gekühlt und erst dann dem Verdampfer erneut zugeführt. Insgesamt weist die Absorptionsklimaanlage zwei Kreisläufe auf, welche sich überschneiden, nämlich einen Kältemittelkreislauf und einen Absorptionsmediumkreislauf. Beide Kreisläufe überschneiden sich vom Absorber, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium gemischt werden, bis zum Kocher, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium voneinander getrennt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich aus der Verwendung einer Absorptionsklimaanlage. Eine solche ist im Betrieb besonders geräuscharm. Vorzugsweise ist die Absorptionsklimaanlage pumpenfrei ausgebildet und eine Umwälzung erfolgt lediglich mittels des Thermosiphon-Effekts. Dadurch ist die Geräuschentwicklung weiter reduziert. Alternativ ist jedoch auch eine Ausgestaltung mit einer Umwälzpumpe geeignet. Zugleich ist auch ein kontinuierlicher Betrieb möglich, d.h. eine durchgängige Kühlung oder Bereitstellung von Kälte. Dies ergibt sich insbesondere aus der oben beschriebenen Ausgestaltung mit zwei Kreisläufen. Da das Kältemittel zirkuliert und dem Verdampfer ständig verdampftes Kältemittel entzogen und flüssiges Kältemittel zugeführt wird, ist eine kontinuierliche Kühlung gewährleistet. Eine Absorptionsklimaanlage weist weiterhin den Vorteil auf, dass diese bereits bei einem geringen Temperaturgefälle von z.B. wenigen Grad Celsius betreibbar ist, wobei das Temperaturgefälle zwischen dem Kocher und dem Verdampfer gemessen ist, was bereits beim Betriebsstart der Absorptionsklimaanlage vorteilhaft ist. Auch ist ein kontinuierlicher Betrieb über weite Temperatur- und Temperaturgefällebereiche möglich. Hinsichtlich des Betriebs ist die Absorptionsklimaanlage zudem vorteilhaft selbstregulierend in der Hinsicht, dass diese bei einem entsprechenden Temperaturgefälle automatisch in Betrieb geht und dass die Kühlleistung mit steigender Heizwärme ebenfalls steigt. Auch ist eine Absorptionsklimaanlage bereits bei geringen Außentemperaturen, d.h. insbesondere unterhalb von 0°C, betreibbar, bei welchen eine Kompressionsklimaanlage nicht betriebsfähig ist. Dadurch lässt sich auch im Winter eine Kühlung erzielen, beispielsweise für besonders kühlintensive Fahrzeugkomponenten wie z.B. eine Brennstoffzelle, oder als Alternative zur Kühlung mittels Umgebungsluft, falls diese nicht verwendet werden soll oder kann.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, einen insbesondere separaten Wärmespeicher als besonders zuverlässige Wärmequelle zur Wärmeversorgung und zum Betrieb der Absorptionsklimaanlage zu verwenden. Dem liegt die Beobachtung zugrunde, dass eine Absorptionsklimaanlage mit Heizwärme betrieben werden muss, welche für einen kontinuierlichen Betrieb insbesondere auch kontinuierlich zugeführt werden muss. Dies ist im automotiven Bereich herkömmlicherweise nicht unbedingt möglich, da hier üblicherweise keine dauerhaften Wärmequellen zur Verfügung stehen. Beispielsweise ist bei einem Hybridfahrzeug der Verbrennungsmotor nicht durchgängig im Betrieb und steht daher auch nicht durchgängig als Wärmequelle zur Verfügung. Bei einem Elektroauto wird generell weniger Abwärme erzeugt als bei einem rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeug. Aber auch bei einem rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeug ist der Verbrennungsmotor nicht notwendigerweise ständig im Betrieb, beispielsweise während längerer Haltephasen oder in einem Parkmodus, in welchen eine Klimatisierung des Fahrgastraums dennoch gewünscht sein kann. Daher wird vorliegend ein Wärmespeicher verwendet, welcher vorteilhaft unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs als Wärmequelle zum Betrieb der Absorptionsklimaanlage verwendet wird und zuverlässig und schnell Heizwärme für den Kocher bereitstellt. Der Wärmespeicher stellt somit sozusagen eine thermische Batterie dar, um unabhängig von den Umgebungsbedingungen eine Kühlung zu ermöglichen. Das Klimatisierungssystem als Kombination eines Wärmespeichers mit einer Absorptionsklimaanlage ist zudem mechanisch einfach, robust und besonders leise. Auf eine Kompressionsklimaanlage wird vorzugsweise verzichtet. Zudem lässt sich die Wärme des Wärmespeichers auch im Sommer, wenn üblicherweise keine Wärme benötigt wird, gewinnbringend nutzen, indem die Wärme mittels der Absorptionsanlage zur Kälteerzeugung genutzt wird.
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Die Absorptionsklimaanlage, auch als Absorptionskältemaschine bezeichnet, ist eine Kältemaschine, bei welcher im Gegensatz zu einer Kompressionskältemaschine ein Kältemittel bei geringer Temperatur in einem Absorptionsmedium, auch als Lösungsmittel bezeichnet, absorbiert wird und bei einer im Vergleich dazu höheren Temperaturen desorbiert wird. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe ausgenutzt. Als Kältemittel wird beispielsweise Ammoniak verwendet, als Absorptionsmedium Wasser, geeigneterweise in einer Wasserstoffatmosphäre. Beide Stoffe sind flüssig oder gasförmig und lassen sich daher auf einfache Weise umwälzen. Wie oben beschrieben weist die Absorptionsklimaanlage einen Kältemittelkreislauf auf und ermöglicht eine durchgängige und somit vorteilhaft bedarfsweise Kühlung, im Gegensatz zu einer Adsorptionsanlage. Während bei einer solchen Adsorptionsanlage ein Sorptionsbett zyklisch be- und entladen wird und dadurch lediglich phasenweise eine Kühlung mittels des Sorptionsbetts möglich ist, kann mit einer Absorptionsklimaanlage kontinuierlich gekühlt werden. Eine Adsorptionsanlage ist zudem vergleichsweise komplex im Aufbau und im Betrieb.
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Die Steuereinheit, auch als Controller bezeichnet, ist beispielsweise eine zentrale Steuereinheit des Fahrzeugs oder eine separate Steuereinheit des Klimatisierungssystems. Die Steuereinheit steuert die Absorptionsanlage und deren einzelne Komponenten an. Zum Einstellen des ersten Kühlbetriebs wird die Absorptionsanlage insbesondere aktiviert, sodass Kältemittel und Absorptionsmedium umgewälzt werden und mittels des Verdampfers eine Kühlung erfolgt, indem Wärme aus dem Fahrgastraum aufgenommen wird. Die Steuereinheit aktiviert hierzu insbesondere auch den Wärmespeicher, welchem dann Wärme entnommen wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass mit dem Wärmespeicher grundsätzlich auch eine zuverlässige Wärmequelle zum Beheizen vorhanden ist. Daher weist das Klimatisierungssystem in einer vorteilhaften Weiterbildung einen Kühlkreis auf, an welchen zumindest eine Fahrzeugkomponente angeschlossen ist, zur Beheizung der Fahrzeugkomponente mittels des Wärmespeichers. Im Kühlkreis zirkuliert ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, welches zum Wärmetransport vom Wärmespeicher zur Fahrzeugkomponente dient.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Fahrzeugkomponente ein Heizwärmetauscher und die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese einen insbesondere ersten Heizbetrieb einstellt, in welchem mittels des Heizwärmetauschers der Fahrgastraum beheizt wird. Dadurch ist auf einfache Weise nicht nur eine Kühlung, sondern auch eine Beheizung des Fahrgastraums realisiert. Dabei dient der Wärmespeicher im ersten Kühlbetrieb zum Antrieb der Absorptionsanlage, wohingegen im Heizbetrieb die Wärme aus dem Wärmespeicher direkt zur Beheizung verwendet wird. In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden der erste Kühlbetrieb und der Heizbetrieb gleichzeitig eingestellt, wodurch ein Entfeuchtungsbetrieb realisiert ist. Luft, welche dem Fahrgastraum zugeführt wird, wird dann zunächst mittels des Verdampfers gekühlt und dabei entfeuchtet und anschließend mittels des Heizwärmetauschers wieder erwärmt.
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Vorteilhaft lassen sich alternativ oder zusätzlich zum Fahrgastraum auch jegliche andere Fahrzeugkomponenten beheizen. Alternativ ist die Fahrzeugkomponente daher insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe von Fahrzeugkomponenten, umfassend: ein Hochvoltspeicher, eine Leistungselektronik, ein Elektromotor, insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Verbrennungsmotor, ein Motorölwärmetauscher. Auch diese Fahrzeugkomponenten profitieren in bestimmten ggf. unterschiedlichen Situationen von einer Beheizung. So wird ein Hochvoltspeicher beispielsweise im Winter beim Start des Fahrzeugs auf eine bestimmte Mindestbetriebstemperatur, z.B. eine Temperatur zwischen 0°C und 10°C erwärmt. Auch eine bedarfsweise Beheizung einer Leistungselektronik oder einer elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Fahrzeugs ist denkbar, z.B. 80 bis 100°C. Bei einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ist das Vorheizen von Motoröl mittels eines Motorölwärmetauschers vorteilhaft. In einer Variante sind mehrere Fahrzeugkomponenten an den Kühlkreis angeschlossen, insbesondere der oben erwähnte Heizwärmetauscher und zumindest eine weitere Fahrzeugkomponente.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kocher mit einer Fahrzeugkomponente verbunden, welche im Betrieb Abwärme erzeugt, und die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese einen zweiten Kühlbetrieb einstellt, in welchem die Abwärme der Fahrzeugkomponente an den Kocher übertragen wird und als Heizwärme verwendet wird. Die Fahrzeugkomponente, bei mehreren Fahrzeugkomponenten zumindest eine von diesen, erzeugt im Betrieb Abwärme, und die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese einen zweiten Kühlbetrieb einstellt, in welchem die Abwärme an den Kocher übertragen wird und als Heizwärme verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist der zweite Kühlbetrieb dadurch, dass der Wärmespeicher geschont wird und lediglich dann als Wärmequelle verwendet zu werden braucht, wenn keine anderweitige Wärmequelle zur Verfügung steht. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird daher der erste Kühlbetrieb dann eingestellt, wenn der zweite Kühlbetrieb nicht möglich ist. In einer Variante werden der erste und der zweite Kühlbetrieb gleichzeitig eingestellt, sodass der Kocher sowohl aus dem Wärmespeicher als auch von der Fahrzeugkomponente mit Wärme versorgt wird. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn im zweiten Kühlbetrieb nicht hinreichend viel Heizwärme mittels der Fahrzeugkomponente bereitgestellt werden kann. Es wird dann mittels des Wärmespeichers zugeheizt.
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In einer Variante der vorgenannten Ausgestaltung ist der Kocher an den weiter oben beschriebenen Kühlkreis angeschlossen. An den Kühlkreis ist insbesondere eine Anzahl von Fahrzeugkomponenten insbesondere als Wärmequelle angeschlossen. Der Kühlkreis erfüllt somit eine Doppelfunktion, dient nämlich einerseits im Heizbetrieb der Wärmezufuhr vom Wärmespeicher in den Kühlkreis und andererseits der Wärmeabfuhr vom Kühlkreis in den Kocher. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der Kühlkreis auf vorteilhafte Weise auch eine alternative Versorgung des Kochers mit Heizwärme, d.h. die Versorgung durch eine andere Wärmequelle als den Wärmespeicher ermöglicht.
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In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Fahrzeugkomponente eine Motoreinheit, besonders bevorzugt ein Verbrennungsmotor, oder ein Abgasstrang des Fahrzeugs. Dadurch wird Abwärme, welche im Fahrbetrieb des Fahrzeugs erzeugt wird effizient zurückgewonnen und zum Betrieb der Absorptionsanlage verwendet. Das Phasenwechselmaterial wird hierbei zweckmäßigerweise derart ausgewählt, dass dessen Phasenwechseltemperatur bei einem mit Benzin betriebenen Fahrzeug bei etwa 200°C liegt, bei einem mit Diesel betriebenen Fahrzeug bei etwa 130°C und bei einem Elektrofahrzeug bei etwa 70°C. Damit wird den spezifischen Temperaturverhältnissen in den genannten Fahrzeugkomponenten in dem jeweiligen Fahrzeugtyp optimal Rechnung getragen.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Fahrzeugkomponente zweckmäßigerweise ein Elektromotor, zum Antrieb des Fahrzeugs, eine Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors, ein Hochvoltspeicher oder eine Brennstoffzelle. Besonders eine Brennstoffzelle ist als Wärmequelle geeignet, da eine Brennstoffzelle im Betrieb besonders viel Abwärme erzeugt. All diese Fahrzeugkomponenten erzeugen mitunter beträchtliche Mengen an Abwärme welche dann vorteilhaft zum Betrieb der Absorptionsanlage genutzt werden.
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Verschiedene Konzepte für die Motoreinheit sind geeignet, insbesondere die nachfolgend genannten. In einigen Ausgestaltungen weist das Fahrzeug einen Hochvoltspeicher auf, welcher je nach konkreter Ausgestaltung unterschiedliche Funktionen erfüllt:
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor zum Antrieb. In dieser Ausgestaltung weist die Motoreinheit keinen Elektromotor auf und auch keinen Hochvoltspeicher. Das Fahrzeug ist ein rein verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor zum Antrieb. In dieser Ausgestaltung weist die Motoreinheit keinen Elektromotor auf. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung von Verbrauchern im Fahrzeug, welche einen hohen elektrischen Energiebedarf haben, z.B. ein elektrischer Ladeluftkompressor oder eine elektrische Wankstabilisierung, und insbesondere auch eine hohe Betriebsspannung benötigen, d.h. insbesondere 48 bis 350V. Das Fahrzeug ist dann ein rein verbrennungsmotorisch angetriebenes Fahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, jeweils zum Antrieb, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Hybridfahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Elektrofahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb und einem Verbrennungsmotor als range extender, zum Laden eines Hochvoltspeichers, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Der Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Elektrofahrzeug mit range extender.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb und einer Brennstoffzelle als range extender, zum Laden eines Hochvoltspeichers, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Der Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Brennstoffzellenfahrzeug, auch als FCEV (fuel cell electric vehicle) bezeichnet.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb, sowie einer Brennstoffzelle, zur Energieversorgung des Elektromotors, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung von Verbrauchern, welche einen hohen elektrischen Energiebedarf haben, beispielsweise um eine Hochstartphase der Brennstoffzelle zu überbrücken. Das Fahrzeug ist dann ein Brennstoffzellenfahrzeug, auch als FCEV (fuel cell electric vehicle) bezeichnet.
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Unter „bestehend aus“ wird insbesondere verstanden, dass die Motoreinheit lediglich diejenigen Komponenten aufweist, aus denen die Motoreinheit besteht.
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Die Abwärme der Fahrzeugkomponente wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung zur Beheizung des Fahrgastraums in einem zweiten Heizbetrieb verwendet. Auf diese Weise wir der Wärmespeicher auch im Falle einer Beheizung geschont, indem zweckmäßigerweise vorrangig Abwärme einer Fahrzeugkomponente mittels des Kühlkreises direkt an den Heizwärmetauscher übertragen wird.
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Falls überschüssige Abwärme erzeugt wird, d.h. mehr Abwärme als zur Beheizung oder zum Antrieb der Absorptionsklimaanlage zwecks Kühlung benötigt wird, z.B. im Sommer, wird diese überschüssige Abwärme in einer geeigneten Ausgestaltung an die Umgebung abgegeben. Hierzu ist an den Kühlkreis zweckmäßigerweise ein Kühler angeschlossen, zur Wärmeabfuhr an die Umgebung. Der Kühler wird auch als Umgebungskühler bezeichnet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass diese einen Regenerationsbetrieb einstellt, in welchem der Wärmespeicher regeneriert wird, d.h. mit Wärme beladen wird. Mit anderen Worten: dem Wärmespeicher wird nicht lediglich Wärme entnommen, sondern auch wieder hinzugefügt, um diese Wärme dann später verwenden zu können. Der Wärmespeicher ist somit regenerierbar ausgebildet.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Klimatisierungssystem eine elektrische Heizvorrichtung auf, zur Regeneration des Wärmespeichers, insbesondere im Regenerationsbetrieb. Mittels der Heizvorrichtung wird Wärme erzeugt, welche im Wärmespeicher gespeichert wird. Eine elektrische Heizvorrichtung ist in dieser Hinsicht besonders effizient, da nahezu sämtliche zugeführte elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die elektrische Heizvorrichtung ist beispielsweise ein PTC-Element oder ein elektrischer Durchlauferhitzer. In einer besonders zweckmäßigen Variante wird eine Standheizung des Fahrzeugs zugleich als elektrische Heizvorrichtung verwendet. Durch diese Doppelfunktion werden Bauteile, Kosten und Gewicht eingespart.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Heizvorrichtung auch in einem Heizbetrieb zur Beheizung des Fahrgastraums verwendet. Hierzu erzeugt die Heizvorrichtung beispielsweise Wärme, welche über den Kühlkreis an den Heizwärmetauscher übertragen wird. Zusätzlich oder alternativ beheizt die Heizvorrichtung direkt jene Luft, welche in den Fahrgastraum eingeströmt wird.
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Geeigneterweise weist das Fahrzeug einen Stromanschluss auf, zum Anschließen der Heizvorrichtung an ein externes Stromnetz. Im Regenerationsbetrieb wird dann dem externen Stromnetz Energie entnommen und damit der Wärmespeicher regeneriert. Dabei braucht die Wärme oder die hierzu erforderliche Energie nicht vom Fahrzeug selbst aufgebracht zu werden, sondern die Regeneration des Wärmespeichers erfolgt mittels Netzstrom. Vielmehr lässt sich das Fahrzeug in einem Ruhe- oder Parkbetrieb mit Wärme aufladen. Bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug erfolgt die Regeneration des Wärmespeichers zweckmäßigerweise im Rahmen eines Ladebetriebs für den Hochvoltspeicher. Aber auch bei einem rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug ist ein entsprechender Ladebetrieb für den Wärmespeicher sinnvoll. Besonders bei Fahrzeugen mit sogenannter Kaltlandausstattung ist häufig ein Anschluss für eine Standheizung oder Motorstandheizung vorhanden, welcher dann zweckmäßigerweise auch zum Betrieb der Heizvorrichtung und somit zum Regenerieren des Wärmespeichers verwendet wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Wärmespeicher zweckmäßigerweise regeneriert, indem die elektrische Heizvorrichtung mit Strom aus einem Generator oder einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs betrieben wird. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Regeneration mittels Netzstrom, erfolgt hierbei die Regeneration mittels Bordstrom. Der elektrische Energiespeicher ist beispielsweise eine Batterie, bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug beispielweise ein Hochvoltspeicher, welcher auch zur Speicherung von Energie für den Antrieb des Fahrzeugs dient.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Wärmespeicher geeigneterweise regeneriert, indem Abwärme einer Fahrzeugkomponente über den Kühlkreis zum Wärmespeicher transportiert wird.
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Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass diese einen Rekuperationsbetrieb einstellt, in welchem Energie rekuperiert wird, mittels welcher der Wärmespeicher regeneriert wird. Unter „rekuperierter Energie“ wird dabei solche Energie verstanden, welche in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs zurückgewonnen wird. Dies ist insbesondere beim Bremsen der Fall. Beim Bremsen muss Energie vernichtet werden, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Diese Energie wird sinnvollerweise rekuperiert und anderen Verwendungen zugeführt, vorliegend vorzugsweise der Regenerierung des Wärmespeichers. In einer ersten Ausgestaltung wird die Energie durch eine Bremsvorrichtung direkt in Wärme umgewandelt, welche in geeigneter Weise dem Wärmespeicher zugeführt wird. Beispielsweise wird die Wärme über einen Bremswärmetauscher in der Bremse des Fahrzeugs aufgenommen und an den Wärmespeicher weitergegeben. Dazu ist der Bremswärmetauscher beispielsweise an den Kühlkreis angeschlossen. Alternativ oder zusätzlich wird die Energie rekuperiert, indem diese mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird, welche wiederum in Wärme umgewandelt wird, z.B. mittels der elektrischen Heizvorrichtung. Diese Wärme wird dann im Wärmespeicher gespeichert.
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Vorzugsweise weist das Klimatisierungssystem einen Heißkreis auf, zur Übertragung von Wärme vom Wärmespeicher an den Kocher und in der Variante mit Kühlkreis zweckmäßigerweise auch an den Kühlkreis. Dadurch ist der Wärmespeicher vorteilhaft vom Kocher thermisch entkoppelt. In einer Ausgestaltung mit Kühlkreis ist der Wärmespeicher dann vorteilhaft auch von den übrigen Fahrzeugkomponenten thermisch entkoppelt. Ein Wärmeaustausch zwischen Heißkreis und Kühlkreis erfolgt dann zweckmäßigerweise über einen geeigneten Wärmetauscher, welche den Heißkreis mit dem Kühlkreis thermisch verbindet. In dem Heißkreis zirkuliert insbesondere ein Thermoöl, d.h. ein Wärmeträgeröl als Wärmemedium. Durch die Verwendung eines Heißkreises lässt sich die Wärme aus dem Wärmespeicher effizienter und einfacher verteilen. In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Heißkreis mittels geeigneter Ventile umschaltbar und die Wärme wird je nachdem ob ein Kühlbetrieb oder Heizbetrieb oder beides eingestellt ist auf den Kocher und den Kühlkreis insbesondere bedarfsgerecht verteilt.
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Bevorzugterweise ist der Wärmespeicher als Latentwärmespeicher ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Ausgestaltung als sensibler oder thermochemischer Wärmespeicher geeignet. Ein Latentwärmespeicher ist jedoch besonders vorteilhaft, da ein solcher besonders große Mengen an Wärme speichern kann und diese Wärme vor Allem bei konstanter Temperatur abgibt. Dadurch vereinfacht sich der Betrieb deutlich gegenüber anderen Ausgestaltungen des Wärmespeichers. Der Latentwärmespeicher besteht insbesondere aus einem Phasenwechselmaterial. Ein solches zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dessen latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als diejenige Wärme, welche das Phasenwechselmaterial aufgrund dessen spezifischer Wärmekapazität aufnehmen könnte. Eine wesentliche Wärmeaufnahme- und -abgabe erfolgt also bei einem Phasenübergang und somit vorteilhafterweise bei einer konstanten Temperatur, nämlich der Phasenwechseltemperatur. Diese ist insbesondere materialabhängig.
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Grundsätzlich ist auch ein Brenner, Gasbrenner oder dergleichen geeignet, um Heizwärme für den Kocher bereitzustellen. Die oben beschriebenen Wärmespeicher weisen demgegenüber jedoch den Vorteil auf, dass der Wärmespeicher selbst nicht verbraucht wird, sondern lediglich die darin gespeicherte Energie. Zur Regeneration braucht der Wärmespeicher nicht neu befüllt zu werden, sondern wird vielmehr lediglich mit neuer Wärme aufgeladen, welche besonders einfach insbesondere durch die oben beschriebene Heizvorrichtung erzeugt wird. Zudem lässt sich der Wärmespeicher, insbesondere der Latentwärmespeicher, gegenüber einem mit Kraftstoff betriebenen Brenner vorteilhaft durch Abwärme weiterer Fahrzeugkomponenten und vor allem auch mit rekuperierter Energie regenerieren.
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Besonders geeignet ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Wärmespeicher ein Hochtemperaturspeichermedium aufweist, welches bei einer Temperatur von wenigstens 200°C und höchstens 500°C, vorzugsweise höchstens 300°C Wärme abgibt. Allgemein weist der Wärmespeicher zur Speicherung der Wärme ein Speichermedium auf. Das Speichermedium ist vorzugsweise ein Salz. Die Kapazität des Speichermediums beträgt beispielsweise etwa 3 bis 5kWh, kann aber auch hiervon abweichen. Das Speichermedium weist eine möglichst hohe Energiedichte auf, um möglichst viel Wärme auf möglichst geringem Bauraum zu speichern. Besonders geeignet ist hierzu ein Hochtemperaturspeichermedium, d.h. ein Speichermedium welches bei der Wärmeabgabe eine Temperatur, insbesondere Phasenwechseltemperatur im Bereich zwischen 200 und 500°C aufweist. In diesem Bereich erfolgt insbesondere bei einem Latentwärmespeicher der Phasenübergang unter Wärmeabgabe. Unter konstruktiven Gesichtspunkten ist eine Obergrenze von 500°C für den Bereich besonders geeignet. Bevorzugt für die Wärmeabgabe ist eine Temperatur von etwa 270°C. Bei den beschriebenen Temperaturen ist eine besonders schnelle Bereitstellung von Wärme zur Kühlung und/oder Beheizung gewährleistet.
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Zur Regeneration wird der Wärmespeicher insbesondere beheizt. Im Falle eines Hochtemperaturspeichermediums vorzugsweise ebenfalls bei einer Temperatur von wenigstens 200°C und höchstens 500°C, insbesondere höchstens 300°C. Zweckmäßigerweise wird der Wärmespeicher in der Ausgestaltung mit einem Hochtemperaturspeichermedium elektrisch geladen, da die entsprechenden Temperaturen auf diese Weise besonders einfach zu erzielen sind, beispielsweise mittels der oben beschriebenen elektrischen Heizvorrichtung.
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Das Konzept ist grundsätzlich für alle Fahrzeugtypen geeignet, besonders sinnvoll jedoch für solche, welche an ein Stromnetz anschließbar sind. Vorzugsweise ist das Fahrzeug daher ein Elektro- und Hybridfahrzeug. Besonders geeignet ist auch ein Fahrzeug mit einer Kaltlandausstattung, d.h. mit einem Stromanschluss für z.B. eine Motorstandheizung.
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Das Verfahren dient zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, welches einen Fahrgastraum aufweist sowie ein Klimatisierungssystem, mit einem Wärmespeicher und mit einer Absorptionsklimaanlage, welche einen Verdampfer, einen Absorber und einen Kocher aufweist, wobei ein erster Kühlbetrieb eingestellt wird, in welchem der Fahrgastraum gekühlt wird, indem in dem Verdampfer ein Kältemittel verdampft wird, das Kältemittel in einem Absorber von einem Absorptionsmedium absorbiert wird und das Kältemittel in einem Kocher freigesetzt wird, indem das Absorptionsmedium mit Heizwärme beheizt wird, wobei die Heizwärme von dem Wärmespeicher bereitgestellt wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich sinngemäß aus den obigen Ausführungen.
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Allgemein zur Kühlung mehrerer Fahrzeugkomponenten zusätzlich zum Fahrgastraum ist die Absorptionsklimaanlage zweckmäßigerweise mit mehreren Verdampfern oder einem mehrteiligen Verdampfer ausgebildet, um verschiedene Klimatisierungsaufgaben zu erfüllen. Verschiedene Klimatisierungsaufgaben sind insbesondere solche, welche herkömmlicherweise über einen Niedertemperaturkühlkreis bedient werden, z.B. Kühlung von Elektronikkomponenten oder von Fahrzeugsitzen. Die Ausgestaltung mit mehreren Verdampfern oder mit einem mehrteiligen Verdampfer ist zweckmäßigerweise mit einer Ausgestaltung mit mehreren Kochern oder mit einem mehrteiligen Kocher kombiniert. Dadurch ist insgesamt eine besonders flexible Klimatisierung gewährleistet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Fahrzeug und
- 2 ein Klimatisierungssystem.
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1 zeigt ein Fahrzeug 2 mit einem Fahrgastraum 4, welcher mittels eines Klimatisierungssystems 6 klimatisiert wird. Hierzu weist dieses eine Absorptionsklimaanlage 8 auf sowie einen Wärmespeicher 10, zur Versorgung der Absorptionsklimaanlage 8 mit Heizwärme. Das Fahrzeug 2 weist weiterhin einen Motor 12, d.h. Motoreinheit, auf, welcher hier ein Elektromotor ist, zum Antrieb des Fahrzeugs 2.
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Die Funktionsweise des Klimatisierungssystems 6 wird im Folgenden anhand von Fig. 2 näher erläutert. Diese zeigt stark schematisiert das Klimatisierungssystem 6 und dessen einzelne Komponenten sowie deren Zusammenwirken mit weiteren Teilen des Fahrzeugs 2.
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Zunächst ist die Absorptionsklimaanlage 8 näher dargestellt. Diese weist einen Verdampfer 14 auf, in welchem ein Kältemittel verdampft wird. Dabei wird der Umgebung des Verdampfers 14 Wärme entzogen und eine Kühlung realisiert. Dies wird genutzt, um dem Fahrgastraum 4 Wärme zu entziehen und diesen zu kühlen. Das verdampfte Kältemittel wird in einem Absorber 16 von einem Absorptionsmedium absorbiert. Dadurch wird das verdampfte Kältemittel dem Verdampfer 14 entzogen, sodass weiteres, flüssiges Kältemittel nachströmt und eine kontinuierliche Kühlung realisiert ist. Weiterhin wird das absorbierte Kältemittel in einem Kocher 18 wieder freigesetzt, indem das Absorptionsmedium mit Heizwärme beheizt wird. Die Heizwärme wird von dem Wärmespeicher 10 bereitgestellt. Zusätzlich wird in 2 das freigesetzte Kältemittel noch in einem Kondensator 20 gekühlt und erst dann dem Verdampfer 14 erneut zugeführt. Insgesamt weist die Absorptionsklimaanlage 8 somit zwei Kreisläufe 22, 24 auf, welche sich überschneiden, nämlich einen Kältemittelkreislauf 22 und einen Absorptionsmediumkreislauf 24. Beide Kreisläufe 22, 24 überschneiden sich ausgehend vom Absorber 16, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium gemischt werden, bis zum Kocher 18, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium voneinander getrennt werden.
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Die Heizwärme wird vom Wärmespeicher 10 zum Kocher 18 mittels eines Heißkreises 26 übertragen, an welchen die beiden Komponenten angeschlossen sind und in welchem ein Thermoöl, allgemein ein Wärmeträgermedium, zirkuliert. Der Heißkreis 26 ist weiterhin mit einem Kühlkreis 28 verbunden, in 2 über einen Wärmetauscher 30. Im Kühlkreis 28 zirkuliert ein Wärmeträgermedium, z.B. Wasser, welches dann mit Wärme aus dem Wärmespeicher 10 beheizbar ist. Zur Beheizung des Fahrgastraums 4 ist dann an den Kühlkreis ein Heizwärmetauscher 32 angeschlossen, welcher Wärme an den Fahrgastraum 4 abgibt. Somit wird die Wärme aus dem Wärmespeicher einerseits in einem ersten Kühlbetrieb mittels der Absorptionsklimaanlage 8 zur Kühlung des Fahrgastraums 4 genutzt, andererseits in einem Heizbetrieb mittels des Heizwärmetauschers 32 zur Beheizung des Fahrgastraums 4. Diese Doppelfunktion des Wärmespeichers 10 führt zu einer besonders effizienten Nutzung desselben. Der Wärmespeicher 10 wird nämlich sowohl im Sommer als auch im Winter zur Klimatisierung des Fahrzeugs eingesetzt.
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Der Wärmespeicher 10 stellt zudem eine besonders zuverlässige Wärmequelle dar, welche zudem unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs 2 verfügbar ist. Somit lässt sich zu jedem Zeitpunkt ein Kühlbetrieb oder ein Heizbetrieb einstellen, bei welchem der Fahrgastraum 4 entsprechend klimatisiert wird. Das Einstellen erfolgt mittels einer Steuereinheit 34, welche beispielsweise eine zentrale Steuereinheit des Fahrzeugs 2 ist.
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Der Wärmespeicher 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Latentwärmespeicher, welcher aus einem Phasenwechselmaterial besteht, welches hier zudem ein Hochtemperaturspeichermedium ist. Das Phasenwechselmaterial ist insbesondere ein Salz, mit einer Phasenwechseltemperatur im Bereich von 200 bis 500°C. Vorzugsweise liegt die Phasenwechseltemperatur bei etwa 270°C. Zur Regeneration des Wärmespeichers 10 weist das Fahrzeug 2 eine elektrische Heizvorrichtung 36 auf, mittels welcher das Phasenwechselmaterial beheizt und mit Wärme beladen wird. Die Heizvorrichtung 36 wird wiederum über einen Stromanschluss 38 mit Energie versorgt. Über diesen Stromanschluss 38 wird das Fahrzeug 2 an ein externes Stromnetz 40 angeschlossen, welchem dann Energie zum Laden des Wärmespeichers entnommen wird. Der Stromanschluss 40 dient im gezeigten Ausführungsbeispiel auch zum Laden eines Hochvoltspeichers 42 des Fahrzeugs 2 mittels eines Netzteils 44.
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Alternativ oder zusätzlich wird ein Rekuperationsbetrieb eingestellt, in welchem Energie rekuperiert wird, mittels welcher der Wärmespeicher 10 dann regeneriert wird. Die rekuperierte Energie wird dabei in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs 2 zurückgewonnen, z.B. beim Bremsen. Beispielsweise wird durch eine nicht dargestellte Bremsvorrichtung Wärme erzeugt, welche dann dem Wärmespeicher 10 zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Energie rekuperiert und mittels eines nicht dargestellten Generators in elektrische Energie umgewandelt, mittels welcher die elektrische Heizvorrichtung 36 betrieben wird.
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Wie aus 2 deutlich hervorgeht, sind an den Kühlkreis 28 zusätzlich zum Heizwärmetauscher 32 noch weitere Fahrzeugkomponenten angeschlossen, vorliegend der Hochvoltspeicher 42, der Motor 12, eine Leistungselektronik 46 und ein Kühler 48. In einer nicht gezeigten Variante ist auch das Netzteil 44 an den Kühlkreis 28 angeschlossen. Die Leistungselektronik 46 dient der Versorgung des Motors 12 mit Energie aus dem Hochvoltspeicher 42. Der Kühler 48 dient zur Abfuhr von Wärme an die Umgebung, d.h. zur Kühlung des Motors 12. Durch die Anbindung an den Kühlkreis 28 sind auch die vorgenannten Fahrzeugkomponenten mit Wärme aus dem Wärmespeicher 10 beheizbar. Dies ist vor allem sinnvoll, um z.B. im Winter den Hochvoltspeicher 42, die Leistungselektronik 46 und/oder den Motor 12 auf eine bestimmte Betriebstemperatur vorzuwärmen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform, in welcher der Motor 12 ein Verbrennungsmotor ist, lässt sich auf diese Weise eine Motorheizung realisieren. Beispielsweise wird der Motor 12 mittels einer Motorölheizung vorgewärmt, bei welcher über einen Motorölwärmetauscher das Motoröl beheizt wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch der Kocher 18 an den Kühlkreis 28 angeschlossen. Dadurch lässt sich Abwärme der genannten Fahrzeugkomponenten in einem zweiten Kühlbetrieb auch als Heizwärme zum Betrieb der Absorptionsklimaanlage 8 verwenden. So wird beispielsweise Abwärme des Motors 12 an den Kocher 18 übertragen, anstatt über den Kühler 48 an die Umgebung abgegeben zu werden. Auch Abwärme des Hochvoltspeichers 42 und der Leistungselektronik 46 lässt sich entsprechend nutzen und ist nicht verloren. Dadurch ist das Klimatisierungssystem 6 besonders effizient.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fahrzeug
- 4
- Fahrgastraum
- 6
- Klimatisierungssystem
- 8
- Absorptionsklimaanlage
- 10
- Wärmespeicher
- 12
- Motor
- 14
- Verdampfer
- 16
- Absorber
- 18
- Kocher
- 20
- Kondensator
- 22
- Kältemittelkreislauf
- 24
- Absorptionsmediumkreislauf
- 26
- Heißkreis
- 28
- Kühlkreis
- 30
- Wärmetauscher
- 32
- Heizwärmetauscher
- 34
- Steuereinheit
- 36
- Heizvorrichtung
- 38
- Stromanschluss
- 40
- externes Stromnetz
- 42
- Hochvoltspeicher
- 44
- Netzteil
- 46
- Leistungselektronik
- 48
- Kühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014215891 A1 [0003]
