DE102017203769A1

DE102017203769A1 - Druckluft-Klimaanlage und Verfahren

Info

Publication number: DE102017203769A1
Application number: DE102017203769.5A
Authority: DE
Inventors: Torsten Frank
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckluft-Klimaanlage (1), insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Klimatisierung mit Druckluft, wobei die Druckluft-Klimaanlage (1) aufweist: einen Kompressor (2), zum Komprimieren von Luft, insbesondere von Frischluft und/oder einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, eine Kühleinrichtung (3), zum Rückkühlen von durch den Kompressor (2) erzeugter Druckluft, und mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) zum Entspannen der rückgekühlten Druckluft. Hierbei ist die mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) lokal in dem zu klimatisierenden Raum angeordnet und durch Entspannung der rückgekühlten Druckluft in der Entspannungseinrichtung kann dem Raum klimatisierte Luft lokal zugeführt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckluft-Klimaanlage, insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zur Klimatisierung mit Druckluft.
Stand der Technik
Druckluft-Klimaanlagen der eingangs genannten Art finden in der Bahn- und Luftfahrtindustrie breite Anwendung. Hierbei spricht man auch von „offenen Klimaanlagen“ mit Luft als Kältemittel. Dabei wird Luft, die von einem zu klimatisierenden Raum, wie z.B. einer Flugzeugkabine, abgesaugt wird, durch einen Kompressor komprimiert, die komprimierte Luft in einem Wärmetauscher abgekühlt und anschließend in einer Entspannungsturbine arbeitsleistend abgekühlt. Die klimatisierte Luft wird anschließend über Belüftungskanäle zu Ausströmern in der Flugzeugkabine verteilt und zur Klimatisierung der Kabine genutzt. In Flugzeugen bietet sich diese Art von Klimatisierung insbesondere an, da oftmals direkt von den Triebwerken komprimierte Verdichterzapfluft zur Verfügung steht.
Im Bereich der Kraftfahrzeuge hingegen werden heute in der Regel „geschlossene Klimaanlagen“ eingesetzt. D.h., Klimaanlagen mit geschlossenem Kältemittelkreislauf und Kompressor, um Luft unter Umgebungstemperatur abzukühlen und damit den Fahrzeuginnenraum auf die gewünschte Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu konditionieren. Die klimatisierte Luft wird dabei von einem zentralen Klimagerät über Gebläse und Luftkanälen an die entsprechenden Ausströmer im Fahrzeuginnenraum verteilt.
Um im Fahrzeuginnenraum unerwünschte Geräusche durch das Gebläse der Klimaanlage zu vermeiden, ist es jedoch notwendig, die Strömungsquerschnitte der Luftkanäle ausreichend groß zu dimensionieren, um die Strömungsgeschwindigkeit der klimatisierten Luft niedrig zu halten. Da jedoch insbesondere im Innenraum von Kraftfahrzeugen der Bauraum äußerst knapp ist, wird nach Möglichkeiten gesucht, die Größe der Luftkanäle zu verringern. Was jedoch aufgrund der vorstehend geschilderten Problematik nur bedingt möglich ist.
Des Weiteren wird bei bekannten Klimaanlagen die Luft zentral gekühlt und anschließend die klimatisierte Luft an Ausströmer, die in dem zu klimatisierenden Raum angeordnet sind, verteilt. Dies führt zu dem Problem, dass wenn die klimatisierte Luft, insbesondere die unter Umgebungstemperatur gekühlte Luft, durch die Luftkanäle zu den Ausströmern strömt, sich Kondenswasser an den Innenwänden der Luftkanäle ansammeln kann. Ferner, wenn ein großer Temperaturunterschied zwischen der klimatisierten Luft und der Umgebungstemperatur vorliegt, kann es ebenfalls zu einer Kondensation der Umgebungsluft an den Außenwänden der durch die klimatisierte Luft abgekühlten Luftkanälen führen. Was zu unerwünschter Ansammlung von Feuchtigkeit, insbesondere an unzugänglichen Stellen im verbauten Interieur eines Kraftfahrzeugs, führen kann. Dies kann über längere Zeit zu unerwünschten Gerüchen und im schlimmsten Fall zu Schimmelbildung führen. Um dem vorzubeugen, ist es oftmals notwendig, die Luftkanäle zusätzlich zu isolieren, insbesondere an Verteilerstellen oder Umlenkstellen.
Gegenstand der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckluft-Klimaanlage sowie ein Verfahren zur Klimatisierung mit Druckluft bereitzustellen, anhand deren es möglich ist, den notwendigen Bauraum im Inneren eines zu klimatisierenden Raums zu minimieren sowie die Anzahl der benötigten Komponenten zu reduzieren, wobei insbesondere bei einfacher Konstruktion die obig genannten Probleme ausgeräumt werden sollen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 12. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Einer der Kerngedanken der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierung anhand von Druckluft durchzuführen, wobei die Druckluft lokal bzw. dezentral in einem zu klimatisierenden Raum durch mindestens eine Entspannungseinrichtung entspannt und damit gekühlt wird. D.h., die Abkühlung der Luft, die zur Klimatisierung eines Raumes genutzt wird, erfolgt lokal bzw. dezentral an einer Stelle, an der die klimatisierte Luft in dem zu klimatisierenden Raum erwünscht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Druckluft-Klimaanlage, die insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs dient, auf: einen Kompressor, zum Komprimieren von Luft, insbesondere von Frischluft und/oder einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, eine Kühleinrichtung, zum Rückkühlen von durch den Kompressor erzeugter Druckluft, und mindestens eine Entspannungseinrichtung zum Entspannen der rückgekühlten Druckluft, wobei, dass die mindestens eine Entspannungseinrichtung lokal bzw. dezentral in dem zu klimatisierenden Raum angeordnet ist und durch Entspannung (Ausdehnung) der rückgekühlten Druckluft in der Entspannungseinrichtung dem Raum klimatisierte Luft lokal zuführbar ist.
Die hier beschriebene „klimatisierte Luft“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Luft, insbesondere auf ein Gemisch von Frischluft und einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, die durch einen Kompressor bzw. Verdichter von außen, insbesondere von außerhalb eines Kraftfahrzeugs und/oder aus dem zu klimatisierenden Raum, insbesondere einem Fahrzeuginnenraum, angesaugt wurde, durch den Kompressor bzw. Verdichter komprimiert bzw. verdichtet wurde, anschließend durch eine Kühleinrichtung rückgekühlt und danach durch eine Entspannung in einer Entspannungseinrichtung weiter abgekühlt wurde. Entsprechend handelt es sich bei der „klimatisierten Luft“ um Luft, die gegenüber der Umgebungstemperatur gekühlt wurde. Ferner kann gegebenenfalls die Luftfeuchtigkeit der klimatisierten Luft verändert worden sein. D.h., die angesaugte Luft kann entfeuchtet bzw. befeuchtet worden sein. Ferner kann es sich bei der klimatisierten Luft auch um eine erwärmte Luft handeln, die zum Beispiel durch ein Heizregister erwärmt wurde. In diesem Fall ist es naturgemäß nicht notwendig, die angesaugte Luft durch die Druckluft-Klimaanlage abzukühlen.
Anhand der obig beschriebenen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, auf einfache Weise die Erzeugung der klimatisierten Luft in den zu klimatisierenden Raum zu verlagern, wodurch es möglich ist, auf ein zusätzliches Gebläse zur Verteilung der klimatisierten Luft, wie bei bekannten Klimaanlagen, zu verzichten. Aufgrund der späten Abkühlung der klimatisierten Luft auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb einer Innenraumtemperatur, ist es ferner möglich, einen sogenannten „Heat-Pickup“, der bei bekannten Klimaanlagen zwischen dem zentralen Klimagerät und den jeweiligen Ausströmern erfolgt, zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Des Weiteren kann auf einen geschlossenen Kältemittelkreis und das damit verbundene Kältemittel verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten und die Wartungskosten der Klimaanlage beträchtlich reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung liegt darin, dass aufgrund der Verschiebung der Abkühlung der Luft unter Umgebungstemperatur in den zu klimatisierenden Raum, eine unerwünschte Kondensation zwischen einem zentralen Klimagerät und Ausströmern, die im zu klimatisierenden Raum angeordnet sind, wie bei bekannten Klimaanlagen, vermieden werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Druckluft-Klimaanlage ferner mindestens eine Entspannungseinrichtung in Form einer Entspannungsturbine, bevorzugt in Form einer Mikroturbine, auf, wobei die Entspannungsturbine bevorzugt einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
Auf diese Weise kann in einem zu klimatisierenden Raum, insbesondere im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, lokal bzw. dezentral mechanische Leistung bzw. elektrischer Strom erzeugt werden. Der erzeugte Strom kann elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. So kann z.B. der erzeugte Strom zur Aufladung von mobilen Endgeräten wie Smartphones, Tablets, Laptops usw. verwendet werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Entspannungsturbine, insbesondere die Mikroturbine, einen lokal angeordneten Ventilator antreibt. Dies bietet die Möglichkeit, falls in einem Bereich des zu klimatisierenden Raums Strömungsgeschwindigkeiten gewünscht sind, die durch die reine Entspannung der rückgekühlten Druckluft nicht erzeugt werden können, eine zusätzliche Gebläsefuntktion durch den Ventilator bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die rückgekühlte Druckluft anhand von druckfesten Luftkanälen und/oder druckfesten Leitungen in dem zu klimatisierenden Raum verteilt.
Anhand der druckfesten Luftkanäle bzw. druckfesten Leitungen ist es aufgrund der erhöhten Dichte der erzeugten Druckluft möglich, die Strömungsquerschnitte der Luftkanäle bzw. Leitungen zu reduzieren, wodurch Bauraum gewonnen werden kann. Ferner kann die Strömungsgeschwindigkeit in den druckfesten Luftkanälen bzw. druckfesten Leitungen gegenüber herkömmlichen Luftkanälen reduziert werden. Entsprechend können die Luftkanäle bzw. Leitungen kompakter und falls notwendig mit engeren Radien verlegt werden, da aufgrund der reduzierten Strömungsgeschwindigkeit eine vorteilhafte Strömungsform der Strömungskanäle von untergeordneter Wichtigkeit ist.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung als ein Wärmetauscher, insbesondere als ein Lamellen- oder Rippenrohr-Wärmetauscher, und/oder als Druckleitungen, die an einer Karosserie eines Fahrzeugs angebunden sind, ausgebildet ist.
So kann es beispielsweise bei ausreichender Fahrgeschwindigkeit eines zu klimatisierenden Kraftfahrzeugs, als Anwendungsbeispiel für die Druckluft-Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, genügen, die durch den Kompressor erzeugte Druckluft durch Druckleitungen zu führen, die an der Karosserie des Fahrzeugs angebunden sind, und somit einen Wärmeaustausch zwischen der erzeugten Druckluft, die während des Verdichtungsvorgang erwärmt wurde, und der Karosserie, die durch einen Fahrtwind abgekühlt wird, durchzuführen. Andererseits, wenn das Fahrzeug zum Beispiel Innerorts gefahren wird, und somit keine ausreichend hohe Fahrgeschwindigkeit erreicht werden kann, oder eine äußerst hohe Umgebungstemperatur (z.B. im Sommer) vorliegt, kann die erzeugte Druckluft zusätzlich oder nur durch einen Wärmetauscher gekühlt werden, um die Kühlleistung zu steigern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Druckluft-Klimaanlage ferner mindestens ein Drosselventil, insbesondere ein elektrisches Drosselventil, aufweisen, um einen Auslass an klimatisierter Luft durch die Entspannungseinrichtung zu regulieren, wobei das mindestens eine Drosselventil bevorzugt in der Nähe der Kühleinrichtung oder lokal in Nähe der bzw. in der Entspannungseinrichtung angeordnet ist.
Auf diese Weise ist es möglich, insbesondere in dem Fall, dass in dem zu klimatisierenden Raum mehrere Entspannungseinrichtungen vorgesehen sind, den Durchfluss bzw. Auslass von rückgekühlter Druckluft bzw. klimatisierter Luft zu regulieren. Hierbei bietet die Anbringung des mindestens einen Drosselventils in der Nähe der Kühleinrichtung, insbesondere innerhalb oder in der Nähe des Motorraums den Vorteil, dass die elektrische Anbindung (Kabellängen) des Drosselventils vereinfacht werden kann. Dies ist insbesondere im Falle von mehreren Entspannungseinrichtungen vorteilhaft, da in diesem Fall die Drosselventile als eine Ventilbatterie ausgebildet werden können, was zur Reduzierung der Montagearbeiten und Kosten positiv beiträgt. In diesem Fall ist es ferner vorteilhaft, die Entspannungseinrichtung mit einem Rückschlagventil oder einer Schließeinrichtung zu versehen, um zu verhindern, dass Schmutz oder Feuchtigkeit in die druckfesten Luftkanäle und/oder druckfesten Leitungen von der Entspannungseinrichtungsseite her eindringt.
Andererseits bietet die Positionierung des Drosselventils lokal in der Entspannungseinrichtung den Vorteil, dass die Entspannungseinrichtung und das Drosselventil als eine integrale Einheit ausgebildet werden können, wobei ferner ein Abfall des Drucks der erzeugten Druckluft in den druckfesten Luftkanälen und/oder druckfesten Leitungen zwischen dem Kompressor und der Entspannungseinrichtung vermieden werden kann. Ferner kann in diesem Fall auf ein Rückschlagventil verzichtet werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Druckluft-Klimaanlage eine Entfeuchtungsvorrichtung aufweist, die bevorzugt zwischen der Kühleinrichtung und der mindestens einen Entspannungsvorrichtung angeordnet ist. Sollten mehrere Entspannungsvorrichtungen vorhanden sein, ist es vorteilhaft, wenn die Entfeuchtungsvorrichtung für alle Entspannungsvorrichtungen gemeinsam genutzt wird. D.h., zuerst durch den Kompressor Druckluft erzeugt wird, die anschließend in der Kühleinrichtung gekühlt wird und die rückgekühlte Druckluft dann, bevor sie an die einzelnen Entspannungsvorrichtungen verteilt wird, durch die Entfeuchtungsvorrichtung geleitet wird. Hierbei kann die Entfeuchtungsvorrichtung in Form eines Wasserausscheiders durch Kondensation ausgebildet sein. Bevorzugt werden hier die Kühleinrichtung, die zum Rückkühlen der erzeugten Druckluft dient, und die Entfeuchtungsvorrichtung integral ausgebildet.
Auf diese Weise ist es möglich, die Luft zur Klimatisierung nicht nur abzukühlen, sondern die Luft gleichzeitig zu entfeuchten, womit eine abgekühlte und entfeuchtete Druckluft erzeugbar ist. Andererseits, da die Druckluft-Klimaanlage auch zur Erwärmung (Heizung) des zu klimatisierenden Raums genutzt werden kann, ist es ferner vorteilhaft, die Druckluft-Klimaanlage mit einer Befeuchtungseinrichtung zu versehen, anhand der die erzeugte Druckluft befeuchtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Druckluft-Klimaanlage ferner eine Druckreguliereinrichtung auf, mittels der ein Druck der rückgekühlten Druckluft eingestellt werden kann, wobei bevorzugt der Druck der rückgekühlten Druckluft, die der mindestens einen Entspannungseinrichtung zugeführt wird, unabhängig von etwaigen weiteren Entspannungseinrichtungen einstellbar ist. Sollte also die Druckluft-Klimaanlage mehrere Entspannungseinrichtungen aufweisen ist es bevorzugt, dass der Druck der rückgekühlten Druckluft für jede Entspannungseinrichtung einzeln geregelt werden kann.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Temperatur der am Ende erzeugten klimatisierten Luft, also die Luft, die nach Entspannung durch die mindestens eine Entspannungseinrichtung in den zu klimatisierenden Raum abgegeben wird, abhängig ist von der Differenz zwischen dem Umgebungsdruck (Druck in dem zu klimatisierenden Raum) und dem Druck der erzeugten Druckluft. Ermöglicht es also die Druckluft-Klimaanlage den Druck für jede Entspannungseinrichtung separat zu steuern, ist es möglich, die Temperatur der ausgelassenen, klimatisierten Luft jeder Entspannungseinrichtung separat zu regulieren. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, in einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs die Temperatur für einen Fahrer unabhängig von der Temperatur eines Beifahrers zu regulieren.
Hierbei kann der durch den Kompressor erzeugte Druck der Druckluft in einem Bereich von 1 bar bis 10 bar, bevorzugt in einem Bereich von 2 bar bis 5 bar, liegen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Druckluft-Klimaanlage mit einer Auflade-Einrichtung eins Motors eines Kraftfahrzeugs zu kombinieren, um zumindest einen Teil der erzeugten rückgekühlten Druckluft einer Ansaugseite des Motors zuführbar zu machen.
Somit kann die vorliegende Erfindung die bereits in einem Kraftfahrzeug mit Auflade-Einrichtung vorhandenen Bauteile wie Kompressor (Verdichter) und Wärmetauscher, die für die Aufladung eines Motors vorhanden sind und einer Ansaugseite des Motors verdichtete, rückgekühlte Frischluft zuführen, für die Erzeugung der rückgekühlten Druckluft für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
Im Falle eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzelle als Energiequelle für den Antrieb kann es vorteilhaft sein, die Druckluft-Klimaanlage mit einem Luftkompressor der Brennstoffzelle zu kombinieren, wodurch ebenfalls ein Kompressor eingespart werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Reinheit der erzeugten Druckluft hoch ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die durch den Kompressor erzeugte Druckluft anhand von Frischluft, bevorzugt anhand von Frischluft die einem Wärmetauscher von außerhalb eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird, gekühlt bzw. rückgekühlt werden, wobei die zugeführte Frischluft bevorzugt anhand einer Vorkühleinrichtung unter die Umgebungstemperatur gekühlt wird, wobei die Vorkühleinrichtung insbesondere in Form eines Befeuchtungsmittels ausgebildet ist.
Somit kann auf einfache Weise ohne großen konstruktiven Aufwand die erzeugte Druckluft, die während des Verdichtungsvorgangs erwärmt wurde, wieder auf annähernd Umgebungstemperatur bzw. Raumtemperatur des zu klimatisierenden Raums gekühlt werden. Um die Kühlleistung der Kühleinrichtung weiter zu steigern, kann eine Vorkühleinrichtung vorgesehen sein, die insbesondere in Form eines Befeuchtungsmittels ausgebildet ist. Eine Vorkühlung der Frischluft kann insbesondere in heißen Sommermonaten notwendig sein, wenn eine Temperatur der angesaugten Frischluft wesentlich höher liegt als eine gewünschte Innenraumtemperatur. In diesem Fall kann die angesaugte Frischluft mit Wasser befeuchtet werden und anhand einer Kondensationskühlung vorgekühlt werden, um die Kühlleistung der Kühleinrichtung zu steigern.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Vorkühleinrichtung zusätzlich oder ausschließlich zur Vorkühlung der seitens des Kompressors angesaugten Luft, insbesondere des angesaugten Luftgemischs, verwendet wird. Hierdurch kann die Temperatur der angesaugten Luft vorab bereits abgekühlt werden, was die Rückkühlung der durch die Kompression erwärmten Druckluft vereinfacht.
Hierbei ist es ferner vorteilhaft, wenn das während der Entfeuchtung der Druckluft anfallende Kondensationswasser gesammelt wird und der Vorkühleinrichtung, insbesondere dem Befeuchtungsmittel zur Befeuchtung der Frischluft und/oder des Luftgemischs zur Verfügung gestellt wird.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Klimatisierung mit Druckluft, insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, wobei bevorzugt die obig beschriebene Druckluft-Klimaanlage verwendet wird, mit den Schritten: Komprimieren von Luft, insbesondere von Frischluft und/oder einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, Rückkühlen der erzeugten Druckluft, und Entspannen der rückgekühlten Druckluft, wobei durch lokale bzw. dezentrale Entspannung der rückgekühlten Druckluft klimatisierte Luft erzeugt wird, die dem zu klimatisierenden Raum lokal zuführbar ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Luft anhand eines Kompressors komprimiert, mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt bzw. rückgekühlt und anschließend anhand mindestens einer Entspannungseinrichtung entspannt und damit weiter abgekühlt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Druck der durch den Kompressor erzeugten Druckluft basierend auf mindestens einem der folgenden Parameter bestimmt: Außenlufttemperatur (Frischlufttemperatur), Raumtemperatur, gewünschter Raumtemperatur, stärke der gewünschten Luftumwälzung, Frischluftanteil, Sonneneinstrahlung und dergleichen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft wenn die zu komprimierende Luft, die bevorzugt ein Luftgemisch aus Frischluft und Raumluft ist, etwa eine Temperatur aufweist, die einer Umgebungstemperatur entspricht, die erzeugte Druckluft, deren Temperatur über der Umgebungstemperatur liegt, auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt bzw. rückgekühlt wird und anschließend die rückgekühlte Druckluft durch das Entspannen auf Umgebungsdruck auf eine Temperatur abgekühlt wird, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, wobei die Temperatur der gekühlten bzw. klimatisierten Luft bevorzugt einer gewünschten Raumtemperatur eines Bedieners entspricht.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Druckluft-Klimaanlage der vorliegenden Erfindung, bei der beispielhaft eine Entspannungseinrichtung vorgesehen ist, und
2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Druckluft-Klimaanlage der vorliegenden Erfindung, bei der beispielhaft drei Entspannungseinrichtungen vorgesehen sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend werden anhand der beigefügten Figuren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Weitere in diesem Zusammenhang genannte Modifikationen bestimmter Merkmale können jeweils einzeln miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen auszubilden.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Druckluft-Klimaanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Druckluft-Klimaanlage 1 weist einen Kompressor 2, eine Kühleinrichtung 3, die in Form eines Wärmetauschers ausgeführt ist, und eine Entspannungseinrichtung 4 auf. Ferner ist die Entspannungseinrichtung 4, die als Mikroturbine ausgeführt ist, mit einem Generator 5 drehmomentübertragend verbunden. Wie ferner der 1 entnommen werden kann, wird dem Kompressor 2 Luft L_zuge. zugeführt, wobei der Kompressor 2 bevorzugt ein Luftgemisch aus Frischluft und Raumluft ansaugt, wobei die Raumluft aus einem zu klimatisierenden Raum (nicht dargestellt) abgesaugt wird. Durch die Komprimierung (Verdichtung) der zugeführten Luft L_zuge. mittels des Kompressors 2 wird eine Druckluft DL_erz. erzeugt, deren Temperatur T_Druck. höher liegt wie die Temperatur T._Umg. der angesaugten Luft bzw. des angesaugten Luftgemisches. Da das Luftgemisch in der Regel einen hohen Frischluftanteil aufweist, liegt die Temperatur T._Umg. des Luftgemisches bei etwa Umgebungstemperatur.
Wie der 1 weiter entnommen werden kann, wird die erzeugte Druckluft DL_erz. dem Wärmetauscher 3 zugeführt, um einen Wärmeaustausch mit Kühlluft L_Kühl. durchzuführen. Bei der Kühlluft L_Kühl. handelt es sich bevorzugt um Fahrtwind. Durch den Wärmeaustausch mit der Kühlluft L_Kühl. gibt die erzeugte Druckluft DL_erz. Wärme W_Abw. ab, wodurch die Temperatur der erzeugten Druckluft DL_erz. reduziert bzw. erniedrigt werden kann. Entsprechend sinkt die Temperatur der rückgekühlten Druckluft DL_rück. auf eine Temperatur T_rück. _Druck• Die rückgekühlte Druckluft DL_rück. wird über druckfeste Luftkanäle zu der Entspannungsvorrichtung 4 geleitet, in der sie auf Umgebungsdruck entspannt wird. Durch Entspannung der rückgekühlten DL_rück. wird deren Temperatur weiter verringert, insbesondere auf eine Temperatur T_klima. verringert, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, und damit eine klimatisierte Luft erzeugt. Nach der erfolgten Entspannung kann die klimatisierte Luft in den zu klimatisierenden Raum geleitet werden, um diesen zu klimatisieren. Die Entspannung der rückgekühlten DL_rück. erfolgt hierbei unter Verrichtung von Arbeit, insbesondere unter dem Antreiben des Generators 5, der dadurch Energie E (Strom) erzeugt, die lokal bzw. dezentral in dem zu klimatisierenden Raum, insbesondere in einem Fahrzeuginnenraum, für elektrische Endverbraucher zur Verfügung gestellt werden kann.
2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Druckluft-Klimaanlage 1 gemäß vorliegender Erfindung. Wie der 2 entnommen werden kann, weist die gezeigte Ausführungsform drei Entspannungseinrichtungen 4a bis 4c mit jeweils einem Generator 5a bis 5c auf. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform, weist vorliegende Ausführungsform ferner Drosselventile 6 sowie eine Druckreguliereinrichtung 7 auf. Da im vorliegenden Fall drei Entspannungseinrichtungen 4a bis 4c in dem zu klimatisierenden Raum angeordnet sind, weist die Druckluft-Klimaanlage 1 entsprechend drei Drosselventile 6 auf, die bevorzugt als kompakte Ventilbatterie ausgebildet sind. Des Weiteren weist die gezeigte Ausführungsform eine Vorkühleinrichtung 8 auf, die vor dem Kompressor 2 angeordnet ist und das von dem Kompressor 2 angesaugte Luftgemisch L_zuge. vorkühlt, um die Temperatur des angesaugten Luftgemisches, insbesondere der angesaugten Frischluft, abzusenken.
Hierzu weist die gezeigte Vorkühleinrichtung 8 Befeuchtungsmittel auf, womit das angesaugte Luftgemisch befeuchtet werden kann, um anschließend einer Kondensationskühlung unterzogen zu werden.
Nach erfolgter Komprimierung des angesaugten Luftgemisches L_zuge. durch den Kompressor 2 und Rückkühlung durch den Wärmetauscher 3 wird die rückgekühlte Druckluft der Druckreguliereinrichtung 7 zugeführt. Die in der gezeigten Ausführungsform beispielhaft mit den Drosselventilen 6 als eine Baugruppe ausgebildet ist. Anhand der Druckreguliereinrichtung 7 kann zuerst ein sogenannter Anlagendruck reguliert werden. Hierzu weist die Druckreguliereinrichtung 7 eine Steuereinheit auf oder wird durch eine zentrale Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs gesteuert. Der Anlagendruck entspricht einem maximalen Druck, der notwendig ist, die klimatisierte Luft auf eine gewünschte Temperatur absenken zu können. Wird seitens der Druckreguliereinrichtung 7 erkannt, dass der Anlagendruck unnötig hoch ist, kann seitens des Kompressors der erzeugte Druck reduziert werden.
Ferner ist es anhand der Druckreguliereinrichtung 7 möglich, den Druck der rückgekühlten Druckluft, die anhand von separaten druckfesten Luftkanälen den drei Entspannungseinrichtungen 4a bis 4c zugeführt wird, unabhängig voneinander zu regulieren. Damit ist es möglich, die Temperatur T_klima. der klimatisierten Luft L_klima. für jede Entspannungseinrichtung 4a bis 4c und somit für unterschiedliche Bereiche in dem zu klimatisierenden Raum einzustellen. Nach Aufteilung der rückgekühlten Druckluft auf die einzelnen druckfesten Luftkanäle und Regulieren des Drucks gelangt die rückgekühlte Druckluft zu dem jeweiligen Drosselventil 6, anhand dessen ein Durchfluss der rückgekühlten Druckluft reguliert werden kann. Mit Einstellung bzw. Regulierung des Durchflusses der rückgekühlten Druckluft kann die Menge an ausgelassener bzw. ausgeblasener klimatisierter Luft L_klima. reguliert werden. Somit ist es ferner möglich, für jede einzelne Entspannungseinrichtung 4a bis 4c und somit für die unterschiedlichen Bereiche in dem zu klimatisierenden Raum nicht nur die Temperatur unabhängig regulieren zu können, sondern auch den Durchfluss (Ausströmmenge) der ausgeblasenen klimatisierten Luft.
Um die Temperatur T_klima. der ausgelassenen klimatisierten Luft L_klima. für jede Entspannungseinrichtung 4a bis 4c präzise regulieren zu können, kann jede Entspannungseinrichtung 4a bis 4c ferner mit einem Temperatursensor versehen sein, anhand dem die Temperatur T_klima. gemessen werden kann.
Ferner besteht die Möglichkeit, wie in 2 gezeigt, die Vorkühleinrichtung 8 zu nutzen, um die Frischluft L_Kühl., die zur Kühlung bzw. Rückkühlung der erzeugten Druckluft DL_erz. verwendet wird, vorzukühlen bzw. zu kühlen.

Claims

Druckluft-Klimaanlage(1), insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, umfassend: einen Kompressor (2), zum Komprimieren von Luft, insbesondere von Frischluft und/oder einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, eine Kühleinrichtung (3), zum Rückkühlen von durch den Kompressor (2) erzeugter Druckluft, und mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) zum Entspannen der rückgekühlten Druckluft, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) lokal in dem zu klimatisierenden Raum angeordnet ist und durch Entspannen der rückgekühlten Druckluft in der Entspannungseinrichtung (4) dem Raum klimatisierte Luft lokal zuführbar ist.
Druckluft-Klimaanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) als eine Entspannungsturbine, bevorzugt als eine Mikroturbine, ausgebildet ist, wobei die Entspannungsturbine bevorzugt einen Generator (5) zur Stromerzeugung antreibt.
Druckluft-Klimaanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsturbine einen lokal angeordneten Ventilator antreibt.
Druckluft-Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgekühlte Druckluft anhand von druckfesten Luftkanälen und/oder druckfesten Leitungen in dem zu klimatisierenden Raum verteilt wird.
Druckluft-Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) als ein Wärmetauscher (3), insbesondere als ein Lamellen- oder Rippenrohr-Wärmetauscher, und/oder als Druckleitungen, die an einer Karosserie eines Fahrzeugs angebunden sind, ausgebildet ist.
Druckluft-Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Klimaanlage (1) ferner mindestens ein Drosselventil (6), insbesondere ein elektrisches Drosselventil, umfasst, um einen Auslass an klimatisierter Luft durch die Entspannungseinrichtung (4) zu regulieren, wobei das mindestens eine Drosselventil bevorzugt in der Nähe der Kühleinrichtung (3) oder lokal in der Nähe oder in der Entspannungseinrichtung (4) angeordnet ist.
Druckluft-Klimaanlage (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Klimaanlage (1) ferner eine Entfeuchtungseinrichtung umfasst, die bevorzugt zwischen der Kühleinrichtung (3) und der mindestens einen Entspannungsvorrichtung (4) angeordnet ist.
Druckluft-Klimaanlage (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Klimaanlage (1) ferner eine Druckreguliereinrichtung (7) umfasst, mittels der ein Druck der rückgekühlten Druckluft eingestellt wird, wobei bevorzugt der Druck der rückgekühlten Druckluft, die der mindestens einen Entspannungseinrichtung (4) zugeführt wird, unabhängig einstellbar ist.
Druckluft-Klimaanlage (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Kompressor (2) erzeugte Druckluft einen Druck im Bereich von 1 bar bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 2 bar bis 5 bar, aufweist.
Druckluft-Klimaanlage (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Klimaanlage (1) mit einer Auflade-Einrichtung eins Motors eines Kraftfahrzeugs kombiniert ist, um zumindest einen Teil der erzeugten rückgekühlten Druckluft einer Ansaugseite des Motors zuführbar zu machen oder die Druckluft-Klimaanlage (1) mit einem Luftkompressor einer Brennstoffzelle kombiniert ist.
Druckluft-Klimaanlage (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Kompressor (2) erzeugte Druckluft anhand von Frischluft, bevorzugt anhand von Frischluft die einem Wärmetauscher (3) von außerhalb eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird, gekühlt wird, wobei die zugeführte Frischluft bevorzugt anhand einer Vorkühleinrichtung (8) unter die Umgebungstemperatur gekühlt wird, wobei die Vorkühleinrichtung (8) insbesondere in Form eines Befeuchtungsmittels ausgebildet ist.
Verfahren zur Klimatisierung mit Druckluft, insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, wobei bevorzugt die Druckluft-Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, mit den Schritten: Komprimieren von Luft, insbesondere von Frischluft und/oder einer einem zu klimatisierenden Raum entzogener Raumluft, Rückkühlen der erzeugten Druckluft, und Entspannen der rückgekühlten Druckluft, dadurch gekennzeichnet, dass durch Entspannung der rückgekühlten Druckluft beim Entspannen klimatisierte Luft erzeugt wird, die dem zu klimatisierenden Raum lokal zuführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft anhand eines Kompressors (2) komprimiert, anhand einer Kühlvorrichtung (4) gekühlt und anschließend durch mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) entspannt und damit weiter abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der durch den Kompressor (2) erzeugten Druckluft basierend auf mindestens einem der folgenden Parameter bestimmt wird: Außenlufttemperatur, Raumtemperatur, gewünschter Raumtemperatur, stärke der gewünschten Luftumwälzung, Frischluftanteil, Sonneneinstrahlung und dergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zu komprimierende Luft, die bevorzugt ein Luftgemisch aus Frischluft und Raumluft ist, etwa eine Temperatur die einer Umgebungstemperatur entspricht aufweist, die erzeugte Druckluft, deren Temperatur über der Umgebungstemperatur liegt, auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt bzw. rückgekühlt wird, und anschließend die rückgekühlte Druckluft durch Entspannen auf Umgebungsdruck auf eine Temperatur abgekühlt wird, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, wobei die Temperatur der gekühlten Luft bevorzugt einer gewünschten Raumtemperatur entspricht.