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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Klimatisieren
eines Umfelds, insbesondere einer Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeugs.
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Bekanntlich
muss ein System zum Klimatisieren eines Umfelds den Austausch der
darin enthaltenen Luft, sowie, im Falle niedriger Außentemperaturen,
deren Erwärmung
und im Falle hoher Außentemperaturen
deren Klimatisierung ermöglichen, die
eine Abkühlung
und Entfeuchtung der Luft mit einschließt.
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Normalerweise
bringt eine Klimatisierung einen hohen Energieverbrauch mit sich,
der im Allgemeinen hohe Betriebskosten nach sich zieht. Auf jeden
Fall wird diese Energie fast immer durch Verbrennen eines Kraftstoffs
erzeugt, so dass eine Klimatisierung in der Praxis auch zu einer
höheren
Luftverschmutzung beiträgt.
Und der Kühlkreislauf
bringt wiederum die Verwendung von Gasen mit sich, die für die Ozonschicht
der Atmosphäre
schädlich
sind.
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Aus
dem Dokument
US-A-5
901 780 ist ein Zusatzheiz- und -klimatisierungssystem
für die
Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei eine Kühlung durch
mindestens ein Paar von Sorptionsplatten bewerkstelligt wird, die
dazu ausgelegt sind, abwechselnd zu heizen oder zu kühlen. In
diesem System wird einerseits das Heizen durch eine separate kraftstoffbefeuerte
Heizvorrichtung erzielt, und andererseits sind ein entsprechender
Wärmetauscher
und Verdichter zum Heizen und Klimatisieren der Kabine vorgesehen.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, ein Klimatisierungssystem zum Klimatisieren
eines Umfelds, insbesondere dasjenige der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs
bereitzustellen, das eine hohe Energieeffizienz, geringe Einflüsse auf
die Umwelt und begrenzte Kosten aufweist, gleichzeitig aber in der
Lage ist, dieselben Funktionen wie ein herkömmliches System zu erfüllen, dabei
aber die Nachteile von Klimatisierungssystemen der bekannten Art
ausklammert.
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Erfindungsgemäß wird dieser
Zweck durch ein wie durch Anspruch 1 definiertes Klimatisierungssystem
zum Klimatisieren einer Kraftfahrzeugkabine erfüllt.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird hier eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die
beispielhaft anhand der beigefügten
Zeichnungen wiedergegeben wird:
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1 ist
ein Blockschema einer Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem;
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2 ist
eine Unteransicht des Blockschemas von 1 nach einer
ersten Variante der Erfindung;
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3 ist
eine Unteransicht des Blockschemas von 1 nach einer
weiteren Variante der Erfindung;
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4 ist
ein Schema des Funktionsablaufs eines Paars Wärmetauschereinheiten für die Vorrichtung
von 1;
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5 ist
ein Schema des Funktionsablaufs der Vorrichtung von 1 zum
Heizen des Umfelds;
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6 ist
ein Schema des Funktionsablaufs der Variante der Vorrichtung von 2 zum
Kühlen des
Umfelds;
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7 ist
ein Schema des Funktionsablaufs der Variante der Vorrichtung von 3,
auch zum Kühlen
des Umfelds;
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8 ist
ein Schema des Klimatisierungssystems, das in einem Kraftfahrzeug
Anwendung findet; und
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9 ist
ein Schema des Klimatisierungssystems, das in einem Bus Anwendung
findet.
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Mit
Bezug auf 1 bezeichnet die Zahl 5 insgesamt
eine Vorrichtung für
ein Klimatisierungssystem zum Klimatisieren eines Umfelds, beispielsweise
die Fahrgastkabine 6 eines Kraftfahrzeugs 10 (siehe
auch 8). Die Vorrichtung 5 umfasst eine Wärmetauschereinrichtung 7,
die dazu ausgelegt ist, intermittierend betätigt zu werden, um die Temperatur
der Luft in der Fahrgastkabine 6 zu verändern.
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Erfindungsgemäß sind die
Wärmetauschereinheiten 7 dazu
ausgelegt, thermodynamische Zyklen bereitzustellen, die auf Absorptions-
und Freisetzungsprozessen von Wärmeenergie
beruhen. Insbesondere umfassen die Wärmetauschereinrichtungen 7 ein
Paar Wärmetauschereinheiten 8 und 9,
welche die Übertragung
von Wärmeenergie
zwischen charakteristischen Pegeln der thermodynamischen Zyklen
ermöglichen,
wobei jede Wärmetauschereinheit 8, 9 dazu
ausgelegt ist, die Temperatur der Luft in abwechselnden Intervallen
zu erhöhen
und zu senken. Jede Wärmetauschereinheit 8, 9 hat
somit die Eigenschaft, Wärme
als Funktion der Absorption einer luftförmigen Substanz auf einer entsprechenden
festen Grundmasse 11 (4) auf eine
bekannte Weise zu absorbieren und freizusetzen.
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Insbesondere
kann luftförmiger
Wasserstoff verwendet werden, der von der Grundmasse 11 absorbiert
werden kann, um Metallhydride zu bilden, oder von der Grundmasse 11 in
Abhängigkeit
des Druck (oder der Temperatur) des Wasserstoffs freigesetzt werden
kann. Die Grundmasse 11 kann durch ein Substrat gebildet
sein, das aus einer Metalllegierung besteht. Über einem Druckgleichgewicht,
das für
die Legierung charakteristisch ist, findet eine Absorption von Wasserstoff
in einem exothermen Prozess statt, so dass die Einheit 8, 9 Wärme an die Fahrgastkabine 6 abgibt,
während
unter diesem Druckgleichgewicht eine Freisetzung von Wasserstoff
in einem endothermen Prozess stattfindet, so dass die Einheit 8, 9 Wärme aus
der Fahrgastkabine 6 aufnimmt und sie so kühlt.
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Zu
diesem Zweck ist das Substrat 11 jeder der beiden Wärmetauschereinheiten 8 und 9 in
ein entsprechendes luftdichtes Gehäuse 14 eingesetzt. Die
beiden Gehäuse 14 sind
mittels eines Hauptkanals 20 verbunden, in den ein Kompressor 12 und
ein Sperrventil 13 eingesetzt sind. Der Kanal 20 ist
außerdem
mittels zweier entsprechender Sekundärkanäle 20a und 20b,
in die zwei entsprechende Sperrventile 15a und 15b eingesetzt
sind, mit den beiden Gehäusen
verbunden. Die Ventile 13, 15a und 15b sind
dazu ausgelegt, intermittierend in Aktion zu treten, um den Wasserstoff
in den beiden Gehäusen 14 der
Substrate 11 abwechselnd zu komprimieren.
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Insbesondere
ist in einem Schritt 1 das Ventil 13 offen und
die beiden Ventile 15a und 15b sind geschlossen,
so dass der Kompressor 12 Wasserstoff aus dem Gehäuse 14 der
Wärmetauschereinheit 8 ansaugt,
in der Kälte
erzeugt wird, und ihn im Gehäuse 14 der Wärmetauschereinheit 9 komprimiert,
in der Wärme
erzeugt wird. In einem Schritt 2 wird das Ventil 13 geschlossen
und die Ventile 15a und 15b werden geöffnet, so
dass der Kompressor 12 Wasserstoff aus der Wärmetauschereinheit 9 ansaugt, die
nun Kälte
erzeugt, und den Wasserstoff in der Wärmetauschereinheit 8 komprimiert,
die nun Wärme
erzeugt.
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Jede
Wärmetauschereinheit 8, 9 ist
in ein entsprechendes Gehäuse 19 (1)
eingeschlossen, das einen Einlass 16 und einen Auslass 17 hat. Indem
man die Luft durch das Gehäuse 19 der
beiden Einheiten 8 und 9 strömen lässt und die beiden vorstehend
beschriebenen Schritte abwechselnd wiederholt, entstehen zwei intermittierende
Warm- und Kaltluftströme in den
Auslässen 17,
d. h. jede Einheit 8, 9 erzeugt die Warm- und
Kaltluft zyklisch und abwechselnd. Daher ist auch eine Wärmepumpe vorgesehen,
die in der Lage ist, die Wärme
zwischen der Außenumgebung
und der Fahrgastkabine 6 zu übertragen (siehe auch 8).
Um eine Klimatisierung der Fahrgastkabine 6 eines Kraftfahrzeugs 10 sicherzustellen,
reicht es aus, die beiden so entstandenen Warm- und Kaltluftströme angemessen
zu lenken.
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Zu
diesem Zweck umfasst die Klimatisierungsvorrichtung 5 (1)
ein Einlassfördersystem 18,
das durch eine Öffnung 21 einen
Luftstrom E aus der Außenumgebung
einlässt,
und durch eine zweite Öffnung 22 einen
Luftstrom R aus der Fahrgastkabine 6 einlässt, der
in das Fördersystem 18 aufgenommen
werden soll. Die beiden Öffnungen 21 und 22 werden
durch entsprechende, in 1 nicht gezeigte Klappen gesteuert,
die selektiv manuell, mittels der gewöhnlichen, am Armaturenbrett
des Kraftfahrzeugs 10 sitzenden Steuerknöpfe zu öffnen sind, oder
ansonsten durch eine automatische Steuerung geregelt werden können.
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Aus
der Einlassfördereinrichtung 18 wird
die Luft mittels zweier elektrischer Gebläse 23 und 24, die
den Wärmetauschereinheit 8 und 9 zugeordnet sind,
angesaugt und durch zwei entsprechende Einlassfördereinrichtungen 26 und 27 zu
den Einlässen 16 der
Gehäuse 19 der
beiden Wärmetauschereinheiten 8 und 9 geleitet.
Der Auslass 17 jeder Wärmetauschereinheit 8, 9 ist
an eine entsprechende Auslassfördereinrichtung 28, 29 angeschlossen,
die mit zwei Öffnungen 31 bzw. 32 (2 und 3),
die von entsprechenden Klappen gesteuert werden, ausgestattet sind.
Vorteilhafterweise können
die beiden Öffnungen 31 und 32 jeder
Fördereinrichtung 28, 29 so
eingestellt werden, dass sie durch ein und dieselbe Klappe 33,
die sich an einer Kante 35 von dieser drehen kann, gesteuert
werden können.
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Bei
jeder Wärmetauschereinheit 8 und 9 steht
die Öffnung 31 mit
der äußeren Umgebung
in Verbindung, während
die Öffnung 31 über eine Mischkammer 34 mit
der Fahrgastkabine 6 in Verbindung steht. Entsprechend
der Variante von 2 ist ein Radiator 36,
d. h. ein Wärmetauscher,
in die Kammer 34 eingesetzt, um Wärme zwischen der Motorflüssigkeit
und der aus der Öffnung 32 kommenden Luft
auszutauschen, so dass der Radiator 36 nur läuft, wenn
der Motor eingeschaltet ist. Der Radiator 36 kann auch
mittels einer Klappe 37 eingesetzt oder ausgeschlossen
werden.
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5 stellt
die Stellungen der Klappen 33 der beiden Auslassfördereinrichtungen 28 und 29 in den
beiden Betriebsschritten der Einheiten 8 und 9, um
eine Erwärmung
der zur Fahrgastkabine 6 geleiteten Luft zu erzielen, dar.
Um insbesondere eine Erwärmung
zu erzielen, leitet das Fördersystem 28 im Schritt 1 einen
Strom erwärmter
Luft C durch die Öffnung 32 in
die Kammer 34 aus (siehe auch 2), während das
Fördersystem 29 einen
Strom gekühlter Luft
F durch die Öffnung 31 nach
außen
ausleitet. Statt dessen leitet das Fördersystem 28 im Schritt 2 einen
Strom gekühlter
Luft F nach außen
aus, während
das Fördersystem 29 einen
Strom erwärmter Luft
C durch seine Öffnung 32 in
die Kammer 34 ausleitet. Aus der Kammer 34 geht
jeder Strom erwärmter
Luft C in die Fahrgastkabine 6 über, die somit kontinuierlich
geheizt wird.
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In 6 sind
statt dessen Stellungen der Klappen 33 der beiden Auslassfördersysteme 28 und 29 in
den beiden Betriebsschritten der Einheiten 8 und 9,
um eine Klimatisierung der Luft zu erzielen, gezeigt. Im Schritt 1 leitet
das Fördersystem 28 einen Strom
erwärmter
Luft C durch die Öffnung 31 in
die Außenumgebung
aus, während
das Fördersystem 29 einen
Strom gekühlter
Luft F durch die Öffnung 32 in
die Kammer 34 ausleitet. Dagegen leitet im Schritt 2 das
Fördersystem 28 einen
Strom gekühlter
Luft F in die Kammer 34 aus, während das Fördersystem 29 einen
Strom erwärmter
Luft C in die Außenumgebung ausleitet.
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Im
Falle, dass die Luft, die bei laufendem Motor in die Fahrgastkabine 6 eingeleitet
werden soll, extrem kalt ist, kann sie in der Kammer 34 nacherwärmt werden,
indem man sie durch den Radiator 36 fließen lässt. Auf
diese Weise wird bei eingeschaltetem oder gerade gestartetem Motor
eine schnelle Kühlung
der Fahrgastkabine 6 erzielt. Anschließend, wenn der Motor warm ist,
ist es möglich,
die Kühlung des
Stroms F zur Fahrgastkabine 6 zu senken, und auf jeden
Fall ist eine Kühlung
der Motorflüssigkeit erleichtert.
Es ist offensichtlich, dass, wenn die Klappe 37 im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird, wie in 2 dargestellt ist, und sie sich
in die durch unterbrochene Linien bezeichnete Stellung begibt, der
Radiator 36 umgangen wird. Der Radiator 36 kann
auch zur Beschleunigung des Heizvorgangs verwendet werden (wie in 5 dargestellt
ist), oder kann auch dazu dienen, ein Heizen zwischen den beiden
Einheiten 8 und 9 zu erzielen, ohne den Kompressor 12 (4)
für Wasserstoff
zu aktivieren.
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Gemäß der in 3 dargestellten
Variante der Vorrichtung 5 kann die Positionierung der
beiden Klappen 33 bei jedem Zyklus so moduliert werden, dass
jede Klappe 33 in eine Zwischenstellung zwischen den beiden Öffnungen 31 und 32 gebracht wird.
In diesem Fall kann ein Heizen wie in 5 angegeben
stattfinden, während
eine Klimatisierung wie in 7 gezeigt
erfolgt. Insbesondere leitet im Schritt 1 das Fördersystem 28 für einen
Klimatisierungsvorgang einen Teil C1 des Stroms erwärmter Luft
durch die Öffnung 31 in
die Außenumgebung und
einen Teil C2 des Stroms erwärmter
Luft durch die Öffnung 32 in
die Kammer 34 aus. Hingegen leitet das Fördersystem 29 den
Strom gekühlter
Luft F durch die Öffnung 32 in
die Kammer 34 aus. Dagegen leitet im Schritt 2 das
Fördersystem
den Strom gekühlter
Luft F in die Kammer 34 aus, während das Fördersystem 29 einen
Teil C1 des Stroms erwärmter Luft
in die Außenumgebung
und einen Teil C2 des Stroms erwärmter
Luft in die Kammer 34 ausleitet.
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Das
Klimatisierungssystem, das im Kraftfahrzeug 10 eingesetzt
wird (siehe auch 8 und 9), ist
dazu ausgelegt, den Wasserstoffkompressor 12, die Ventile 13, 15a und 15b und
die Klappen 33 und 37 zu steuern. Insbesondere
umfasst das System eine elektronische Steuereinheit, die dazu ausgelegt
ist, Signale über
die Behaglichkeitsparameterwerte, wie Temperatur und Feuchtigkeit,
die von in der Fahrgastkabine 6 geeignet angeordneten Sensorenpaaren
abgetastet werden, zu empfangen. Im Falle eines Automobils (8)
ist es möglich,
nur eine Vorrichtung 5 im Bereich der Vordersitze anzuordnen.
Darüber
hinaus ist es möglich,
ein Sensorenpaar an einer Stelle anzuordnen, die den Vordersitzen
entspricht, und ein anderes Sensorenpaar an einer Stelle anzuordnen,
die den Rücksitzen
entspricht.
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Im
Falle eines Busses (9) können verschiedene Klimatisierungsvorrichtungen 5 vorgesehen
werden, wovon eine an einer Stelle angeordnet werden kann, die dem
Fahrersitz entspricht. In der Fahrgastabteilung können verschiedene
andere Vorrichtungen 5 in einer Reihe oder mehreren Reihen angeordnet
werden. Von den Sensorenpaaren kann eines an einer Stelle, die dem
Fahrersitz entspricht, und mindestens eines in der Fahrgastabteilung,
insbesondere zum hinteren Ende dieser Abteilung hin angeordnet werden.
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Bei
dem Fahrzeug kann es sich um ein Fahrzeug zum Transport von Gütern handeln,
das mit einer Vorrichtung zum Klimatisieren de Fahrerkabine und
einer oder mehreren Klimatisierungsvorrichtung/en ausgestattet ist,
die im gewöhnlichen
Abschnitt eingesetzt ist/sind, der zum Transport von Gütern verwendet
wird, um zum Klimatisieren oder Kühlen der Güter verwendet zu werden.
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In
allen vorstehend beschriebenen Fällen
ist in der Fahrgastkabine 6, vorzugsweise am Armaturenbrett
des Kraftfahrzeugs 10, mindestens ein Teil zum Einstellen
der gefühlten
Temperatur, die erzielt werden soll, vorgesehen, zum Beispiel ein
Schieber 42, der mit der Hand betätigt werden kann. Die von der
Klimatisierungsvorrichtung aufbereitete Luft kann mittels des herkömmlichen
Systems von Verteilerkanälen,
das die Aufrechterhaltung der Standardfunktionen einer Klimaanlage
sicherstellt (Heizen, Belüften,
Klimatisieren, Scheiben freimachen, abtauen), in der Fahrgastkabine
verteilt werden.
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Aus
dem, was vorstehend ersichtlich wurde, gehen die Vorteile des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
im Vergleich zum bekannten Stand der Technik klar hervor. Insbesondere
ist eine Verschmutzung der Atmosphäre reduziert, und die Gefahr,
die Ozonschicht der Atmosphäre
zu schädigen, was
durch die Flüssigkeit
gewöhnlicher
Kühlsysteme verursacht
wird, ist gebannt.
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Selbstverständlich können verschiedene
Abwandlungen und Verbesserungen an dem hier beschriebenen Klimatisierungssystem
ohne vom Umfang der Ansprüche
abzuweichen vorgenommen werden. Zum Beispiel können sich die Wärmetauscher
vom Metallhydrid-Wärmetauscher
unterscheiden, und das Kühlmedium
kann ein anderes sein als Wasserstoff. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 5 mit
nur einem Wärmetauscherpaar
ausgestattet werden, wobei dann ein intermittierender Luftstrom
in die Fahrgastkabine 6 geleitet wird.