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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klimatisieren, d.h. zum Kühlen und
Heizen eines Raums. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Klimatisieren eines Nutzraums eines Kraftfahrzeugs.
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Bei
einem bekannten Verfahren zum Heizen und Kühlen eines Nutzraums eines
Kraftfahrzeugs wird im Heizbetrieb mit einem Kompressor ein Kältemittel
komprimiert und über
eine vorgesehene Leitung in einen Innenraumwärmeübertrager geführt. Dort
wird das Kältemittel
mit kälterer
Nutzraumluft beaufschlagt. Anschließend wird das Kältemittel
mit einer Expansionseinheit gedrosselt und im Umgebungswärmeübertrager
mit Umgebungsluft beaufschlagt. Darauf wird das Kältemittel
in dem Abgaswärmeübertrager
mit heissem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt und gelangt
anschließend wieder
in den Kompressor.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verfahren ist, dass der maximale Hochdruck durch
den maximal zulässigen
Druck im Innenraumwärmeübertrager
begrenzt ist. Dies bedingt, dass die mittels Kompressor maximal
einbringbare Energie in den Heizkreislauf eingeschränkt ist.
Die Regulierung der Wärmeabgabe
von dem Kältemittel
an die Nutzraumluft in dem Innenraumwärmeübertrager ist nur über die
Luftseite durchführbar.
Somit sind eine Regelung der Überhitzung
und ein Schutz des Kompressors vor Flüssigkeitsschlägen nur über Eingriffe
auf der Nutzraumluft seite möglich.
Dies ist allerdings nicht erwünscht,
da Änderungen
am Klimakasten notwendig sind und die Luftmenge von einem Insassen
nicht freigebbar ist. Zudem ist die Unterkühlung oder Überhitzung des Kältemittels
nicht einstellbar.
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In
einem weiteren bekannten Verfahren wird im Heizbetrieb ein Kompressor
des Kältemittels
auf einen überkritischen
Druck komprimiert und über eine
entsprechende Leitung in den Innenraumwärmeübertrager geführt, wo
das Kältemittel
mit kälterer Nutzraumluft
beaufschlagt wird. Anschließend
wird das Kältemittel
mittels einer Expansionseinheit gedrosselt und in einem Umgebungswärmeübertrager mit
Umgebungsluft beaufschlagt. In einem Abgaswärmeübertrager wird das Kältemittel
mit dem heissen Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt. wonach
das Kältemittel
in einem Sammelbehälter
gelangt. In dem Sammelbehälter
wird nicht vollständig verdampftes
Kältemittel
abgeschieden oder bei zu großer Überhitzung
gasförmiges
Kältemittel
aufgenommen und dem Kreislauf zugeführt. Danach strömt das Kältemittel
wieder in den Kompressor.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verfahren ist, dass dieses nur überkritische
Drücke
zulässt.
Dadurch liegt im Heizbetrieb permanent ein hoher Druck an dem Innenraumwärmeübertrager
an. Da nur überkritische
Drücke
zugelassen sind, ist die Wärmeabgabe
im Innenraumwärmeübertrager über die
Kältemittelseite
nicht derart regelbar, dass nach der Expansion und der anschließenden Wärmeaufnahme das
Kältemittel
vollständig
verdampft in den Kompressor eintritt. Eine regulierte Wärmeabgabe
von dem Kältemittel
an die Nutzraumluft in dem Innenraumwärmeübertrager ist nur über die
Luftseite regulierbar.
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In
der Druckschrift
DE
197 37 990 A1 ist eine Zuheizvorrichtung für Kraftfahrzeuge
mit Benutzung eines Klimatisierungs kreislaufs beschrieben, bei der ein
Kältemittel
in drei parallelen Strängen
zirkuliert.
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Nachteilig
bei dieser Vorrichtung ist, dass im Heizbetrieb die Wärmeübertragung
in dem Verdampfer bei einem kältemittelseitigen
Druckniveau erfolgt, das dem Kompressoreintrittsdruck entspricht.
Somit hat das Kältemittel
eine relativ geringe Dichte, voraus große Volumenströme resultieren.
Dies bedingt große
Leistungsquerschnitte bzw. einen hohen Druckabfall. Da bei diesem
System nur die mittels Kompressor eingebrachte Energie zum Heizen
verwendet werden kann, sind große
Kältemittelmassenströme notwendig,
die störende
Nebengeräusche
hervorrufen. Des Weiteren ist die nutzbare Heizleistung bei dieser
Vorrichtung in jedem Betriebspunkt kleiner als die dafür notwendig
zugeführte
Kompressorleistung, wodurch die resultierende Leistungszahl stets
kleiner als 1 ist.
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Die
DE 198 33 251 A1 offenbart
eine Klimaanlage für
ein Fahrzeug, in der eine Klimatisierungseinheit zum Kühlen einer
Wärmeerzeugungseinheit mit
Kühlmittel
mit einem Zwischendruck des Kühlmittelzyklus
an der kühlmittel-stromabwärtigen Seite
eines Wasser/Kühlmittel-Wärmetauschers
angeordnet ist. In dem Wasser/Kühlmittel-Wärmetauscher kommt
es bei eingestellter Heiz-Betriebsart zu einem Wärmeübergang von dem Kältemittel
an das Kühlwasser,
so dass der Kühlwasserkreis
des Motors schneller erwärmt
wird. Somit kann das Heizvermögen
der Klimaanlage unter Verwendung von Wärme, die von der Kühlererzeugungseinheit
erzeugt wird, auch im Winter wirksam verbessert werden.
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Die
DE 102 01 741 A1 offenbart
ein Fahrzeug mit einer Klimatisierung und einer Wärmequelle,
bei dem im Heizbetrieb das heiße,
komprimierte Medium direkt zu einem Wärmetauscher gelangt, welcher
dem Innenraum eines Fahrzeugs zugeordnet ist. In diesem Wärmetauscher
kühlt sich
das heiße
Medium ab und erwärmt
dabei die kalte Zuluft zum Innenraum. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades
kann das Medium nach dem genannten Wärmetauscher auf ein Zwischendruckniveau
entspannt werden, wonach es in einem weiteren Wärmetauscher Wärme aufnimmt,
darauf folgend auf das Druckniveau des Verdichtereintritts erneut
entspannt wird und anschließend
zum Verdichter zurückgelangt.
Wahlweise ist auch eine Entfeuchtung der Innenraumluft möglich.
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Die
DE 103 01 006 A1 offenbart
einen Heiz-/Kühlkreislauf
für eine
Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, und des weiteren eine Klimaanlage
und ein Verfahren zur Regelung derselben. Im Heizbetrieb der Klimaanlage
wird das Kältemittel
zunächst als
Heißgas
einem Heizwärmetauscher
zugeführt,
in dem das Kältemittel
Wärme abgibt
und dabei eine einem Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluft aufheizt. Nach
Austreten aus dem Heizwärmetauscher
wird das Kältemittel
geeignet entspannt und durch einen weiteren Wärmetauscher geführt, in
dem das Kältemittel
Wärme von
außen
aufnimmt, so dass es anschließend
in einem Zustand, in dem es im wesentlichen dampfförmig vorliegt,
wieder einem Kompressor des Heiz-/Kühlkreislaufes zugeführt wird.
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In
der Druckschrift
DE
195 00 867 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieben eines Kälteerzeugungssystems
beschrieben. Ein in dieser Druckschrift gezeigtes Kälteerzeugungssystem
weist neben einem Kälteverdichter
unter anderem ein Vorwärm-Wärmetauschermittel
sowie ein nachfolgend angeordnetes Verdampfer-Expansionsventil auf.
Das Kältemittel
strömt
hierbei durch eine Hauptflüssigkeitsleitung
und ist durch ein Vorwärmer-Expansionsventil
in einen zweiten Kältemittel-Strömungsweg
abzweigbar.
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Die
Druckschrift
DE 101
63 607 A1 beschreibt ein Wärmepumpensystem und ein Verfahren zum
Betrieb eines Wärmepumpensystems
für ein Kraftfahrzeug.
Hierbei ist vorgesehen, dass über
einen ersten Wärmetauscher
eines Kältemittelkreislaufs
eine Zuluft zu einem Innenraum des Kraftfahrzeugs beheizbar ist, über eine
erste Expansionseinrichtung Kältemittel
in dem Kreislauf von einem höheren
auf ein geeignetes Zwischendruckniveau entspannt wird und über einen
zweiten Wärmetauscher Wärme aus
einer Wärmequelle
aufnehmbar ist. Dabei wird über
einen dritten Wärmetauscher
auf dem Zwischendruckniveau Wärme
von oder zu dem Kältemittel übertragen,
wobei über
eine zweite Expansionseinrichtung das Kältemittel von dem Zwischendruckniveau
aus entspannt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Heizen und
Kühlen
eines Nutzraums zu schaffen, wobei unter allen Betriebsbedingungen
eine effiziente Wirkungsweise mit einem hohen Grad an Komfort gewährleistet
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein
wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dem ersten Wärmetauscher
eine erste Expansionseinrichtung vorzuschalten, so dass das Kältemittel,
das durch den Kompressor auf ein hohes Druckniveau gebracht wird,
vor dem Eintreten in den ersten Wärmetauscher auf ein Zwischendruckniveau entspannt
wird. Das Zwischendruckniveau liegt dabei unterhalb des Kompressoraustrittsdrucks
und oberhalb des Kompressoreintrittsdrucks. Im Heizbetrieb erfolgt
somit ein Wärmeübergang
in dem ersten Wärmetauscher
von dem Kältemittel
auf eine dem Nutzraum zuzuführende
Zuluft, um dadurch den Nutzraum zu beheizen, wobei zum Einstellen
einer geforderten Heizleistung ein Ausgangsdruck des Kompressors
variiert wird.
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Erfindungsgemäß ist die
erste Expansionseinrichtung zum Entspannen des Kältemittels abhängig von
einer gewünschten
Heizleistung regulierbar. Dadurch lassen sich der Wert des Zwischendruckniveaus
und somit auch die Temperatur des Kältemittels vor dem Eintritt
in den ersten Wärmetauscher
gezielt einstellen. Somit kann die treibende Temperaturdifferenz
zwischen dem Kältemittel
in dem ersten Wärmetauscher
und der Nutzraumlufttemperatur reguliert und damit die an die dem
Nutzraum zugeführte
Zuluft übertragende
Wärmemenge wie
gewünscht
verändert
werden.
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Die
Höhe des
Zwischendruckniveaus kann abhängig
vom Luftmassenstrom, der Lufteintrittstemperatur in den ersten Wärmetauscher
und abhängig von
dem Wirkungsgrad des ersten Wärmetauschers einen
verschiedenen Wert annehmen. Je höher das Zwischendruckniveau
liegt, desto größer ist
die treibende Temperaturdifferenz, d.h. desto mehr Energie kann
dem Kältemittel
in dem ersten Wärmetauscher entzogen
werden, um den Nutzraum zu heizen.
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Zum
Einstellen der geforderten Heizleistung wird ein Durchsatz des Kältemittels
in dem Kältemittelkreislauf
variiert. Somit wird vorteilhaft der Kältemittelmassenstrom abhängig von
der geforderten Heizleistung und der nutzbaren Wärme von der Umgebung und/oder
der Brennkraftmaschine und der maximalen Effizienz des Prozesses
geregelt.
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Das
Kältemittel
tritt aus dem zweiten Wärmetauscher
in einem überhitzten
Zustand aus, so dass es von dem Kompressor im Wesentlichen dampfförmig angesaugt
wird. Vorzugsweise wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung
die Wärme,
die dem Kältemittel
in dem zweiten Wärmetauscher
zugeführt wird,
von der Kraftmaschine bzw. von den heißen Abgasen der Kraftmaschine
erzeugt. In diesem Fall handelt es sich bei dem zweiten Wärmetauscher
vorteilhaft um einen so genannten Abgaswärmeübertrager, in den die Abwärme der
Kraftmaschine zum Erwärmen
des Kältemittels
eingeleitet wird. Abhängig von
der zur Verfügung
stehenden Abgasenergie kann das Zwischendruckniveau verändert und
somit die Überhitzung
des Kältemittels
beeinflusst werden.
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Im
Heizbetrieb ergibt sich die im ersten Wärmetauscher von dem Kältemittel
abzugebende Wärmemenge
aus der mittels des Kompressors zugeführten Energie sowie der zusätzlich aufgenommenen
Wärme nach
der zweiten Expansionseinrichtung. Dadurch ist es möglich, durch
den ersten Wärmetauscher
einen Kältemittelmassenstrom
zu leiten, dem eine große
spezifische Energiemenge entnommen werden kann. Hierdurch bedingt
kann vorteilhaft der notwendige Durchsatz des Kältemittels bzw. der Kältemittelmassenstrom
klein gehalten werden, so dass in allen Betriebspunkten des Kältemittels
ausreichend Energie für
die Wärmeübertragung
an die Nutzraumluft zur Verfügung steht.
Das Heizen des Nutzraums wird aufgrund der zusätzlich aufgenommenen Wärme in dem
zweiten Wärmetauscher
mit einer Leistungszahl größer als
1 betrieben, was vor allem im Hinblick auf ökologische, mit Verbrauchsoptimierten
Motoren ausgestattete Fahrzeuge von großem Vorteil ist.
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Im
Heizbetrieb ist es möglich,
infolge der voranstehend erläuterten
hohen nutzbaren spezifischen Energie des Kältemittelmassenstroms aufgrund
der zugeführten
Wärmeenergie
den Kältemittelmassenstrom
bei konstanter Nutzleistung klein zu halten. Entsprechend können störende Fließgeräusche in
dem Kältemittelkreislauf
verursacht durch einen großen
Kältemittelmassenstrom
wirksam unterbunden werden.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist dem Kompressor ein
Sammler vorgeschaltet, in die ein eventuell noch flüssiger Anteil
des Kältemittels
abgeschieden werden kann. Hierdurch können vorteilhaft nachteilige
Flüssigkeitsschläge des Kältemittels
in dem Kompressor sicher vermieden werden.
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Zweckmäßigerweise
wird als Kältemittel Kohlendioxid
verwendet, das gute Wärmeübertragungseigenschaften
aufweist und des Weiteren eine hohe volumetrische Kälteleistung
bei geringen Temperaturen und Drücken
besitzt. Hierdurch ist es möglich,
auch bei einem geringen Kältemittelmassenstrom
eine ausreichende Wärmemenge
zu übertragen.
Des Weiteren zeichnet sich Kohlendioxid dadurch aus, dass es umweltverträglich, nicht
brennbar und nicht giftig ist.
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Zusammenfassend
zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass im Heizbetrieb einer
Klimaanlage oder dergleichen das Kälte mittel nach dem Verdichten
durch einen Kompressor und vor Eintritt in einen Wärmetauscher
zum Aufheizen einer dem Nutzraum zuzuführenden Luft vorab auf einen
Zwischendruck entspannt wird. Infolge dessen kann auch bei einem
kleinen Kältemittelmassenstrom
eine große
spezifische Energiemenge an die dem Nutzraum zuzuführende Luft übertragen
werden. Eine solche Betriebsweise beim Heizen wird aufgrund der zusätzlich aufgenommenen
Wärme,
die dem Kältemittel
im weiteren Verlauf des Kreislaufs durch den Abgaswärmetauscher
zugeführt
wird, mit einer Leistungszahl deutlich größer als 1 betrieben, was insbesondere
bei leistungsschwachen und Verbrauchsoptimierten Motoren von Vorteil
ist.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Kältemittelkreislaufes
der Vorrichtung.
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2 zeigt
einen Teil des Kältemittelkreislaufes
von 1, der dem Kompressor vorgeschaltet ist.
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3 zeigt
den Kreisprozess zum Kühlen
in einem p,h-Diagramm.
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4 zeigt
den Kreisprozess zum Heizen in einem p,h-Diagramm, wobei das Kältemittel
vor der Wärmeabgabe
auf ein Zwischendruckniveau entspannt wird.
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5 zeigt
stark vereinfacht eine prinzipielle Draufsicht auf einen Motorraum
eines Fahrzeugs, in dem die Vorrichtung eingebaut ist.
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In 1 ist
der schematische Aufbau einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen eines
Nutzraumes eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Vorrichtung umfasst
einen Kältemittelkreislauf 10,
der im Wesentlichen aus zwei Hauptzweigen 11, 12 besteht.
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In
dem Kältemittelkreislauf 10 ist
einem Kompressor 13 ein 3-Wege-Ventil 14 nachgeschaltet,
von dem die beiden Hauptzweige 11, 12 abzweigen.
Der erste Hauptzweig 11, durch den hindurch das Kühlmittel
im Kühlbetrieb
geleitet wird, umfasst einen dritten Wärmetauscher 15, nachstehend
als Umgebungswärmeübertrager
bezeichnet. Von dem Umgebungswärmeübertrager 15 führt der
erste Hautzweig 11 über
ein Rückschlagventil 16 zu
einer ersten Expansionseinrichtung D1.
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Ausgehend
von dem 3-Wege-Ventil 14 führt der zweite Hauptzweig 12,
durch den das Kühlmittel im
Heizbetrieb durchgeleitet wird, direkt zu der voranstehend genannten
ersten Expansionseinrichtung D1.
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Der
ersten Expansionseinrichtung D1 ist ein erster Wärmetauscher 17 nachgeschaltet,
nachstehend als Innenraumwärmeübertrager
bezeichnet. Der Innenraumwärmeübertrager 17 ist
mit einer Zuluft gekoppelt, die einem Nutzraum eines Kraftfahrzeuges
zuzuführen
ist. Die Funktionsweise des Innenraumwärmeübertragers 17 wird
nachstehend noch im Einzelnen näher
erläutert.
Der Kältemittelkreislauf 10 mündet nach
dem Innenraumwärmeübertrager 17 in
ein weiteres 3-Wege-Ventil 18. Eine Leitung führt von
dem 3-Wege-Ventil über
einen Sammler 19 unmittelbar zurück zu dem Kompressor 13,
wobei im Kühlbetrieb
das 3-Wege-Ventil 18 auf diesen Zweig geschaltet ist. Des weiteren
führt ein weiterer
Zweig des Kältemittelkreislaufes
von dem 3-Wege-Ventil 18 über eine zweite Expansionseinrichtung
D2, einen zweiten Wärmetauscher 20,
nachstehend als Abgaswärmeübertrager
bezeichnet und ein weiteres Rückschlagventil 21 zurück zu dem Kompressor 13,
wobei das Kältemittel
im Heizbetrieb durch diesen Zweig geleitet wird. Dieser Zweig des Kältemittelkreislaufes 10 ist
nach dem Rückschlagventil 21 so
ausgeführt,
dass der voranstehend genannte Sammler 19 beim Rückführen des
Kältemittels
zum Kompressor 13 ebenfalls zum Aufnehmen von evtl. flüssigen Anteilen
des Kältemittels
dient.
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Nachstehend
ist der Kühlbetrieb
der Vorrichtung unter Bezugnahme auf die jeweiligen Betriebspunkte
des Kältemittels
erläutert,
Diese Betriebspunkte sind in 3 in einem
h-p-Diagramm dargestellt
sind, in dem die Enthalpie als Funktion des Drucks dargestellt ist.
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Im
Ausgangszustand liegt das Kältemittel dampfförmig vor
(Zustand 1 von 1, Zustand 1 von 3).
Der Kompressor 13 komprimiert das Kältemittel auf einen hohen Druck
(Zustand 2 von 1, Zustand 2 von 3),
wonach das heisse Kältemittel in
den Umgebungswärmeübertrager 15 geleitet
und dort mit kälterer
Umgebungsluft beaufschlagt wird. Das nun abgekühlte Kältemittel (Zustand 3 von 1,
Zustand 3 von 3) wird anschließend in der
ersten Expansionseinrichtung D1 auf einen niederen Druck entspannt
(Zustand 4 von 1, Zustand 4 von 3),
wobei es sich unter die Temperatur der Nutzraumluft abkühlt. Wie
voranstehend bereits erläutert,
ist der Innenraumwärmeübertrager 17 mit
der Luft gekoppelt, die dem Nutzraum zugeführt wird. Im Innenraumwärmeübertrager 17 wird
entsprechend das Kältemittel
mit der dem Nutzraum zugeführten
Luft beaufschlagt und verdampft, wobei aufgrund der bestehenden
Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel
und der dem Nutzraum zugeführten
Luft dieser Luft Wärmeenergie
entzogen wird. Durch diesen Wärmeentzug
bzw. das Verdampfen des Kältemittels
gelangt dieses zurück
in den gasförmigen
Zustand (Zustand 7 bzw. 1 von 1,
Zustand 1 von 3), in dem es erneut von dem
Kompressor 13 angesaugt wird. Der Wärmeentzug in Bezug auf die
dem Nutzraum zugeführten
Luft führt
dazu, dass ein Insasse in dem Nutzraum des Kraftfahrzeuges wie gewünscht einen
kühlen
Luftstrom verspürt.
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In 2 ist
ein Teil des Kältemittelkreislaufes 10 stromabwärts von
dem Innenraumwärmeübertrager 17 in
einem Ausschnitt vergrößert dargestellt.
Im voranstehend erläuterten
Kühlbetrieb
wird das Kältemittel
bei dem 3-Wege-Ventil 18 in der 2 nach rechts
direkt in den Sammler 19 geleitet, die dem Kompressor 13 vorgeschaltet
ist. Mit dem Sammler 19 wird ein Abscheiden von eventuell
flüssigen
Anteilen des Kältemittels
erzielt, so dass das Kältemittel von
dem Kompressor 13 in ausschließlich dampfförmigen Zustand
angesaugt wird. Flüssigkeit
wird nach unten in den Sammler 19 abgeschieden und dampfförmiges Kältemittel
gelangt nach oben in den Eintritt des Kompressors 13. Das
Rückschlagventil 21 bewirkt
hierbei, dass das Kältemittel
von dem Sammler 19 ausschließlich in den Eintritt des Kompressors 13 gelangt
und nicht ungewünscht
zu dem Abgaswärmeübertrager 20 zurückströmen kann.
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Nachstehend
ist ein Heizbetrieb für
die Vorrichtung unter Bezugnahme auf die jeweiligen Betriebspunkte
des Kältemittels
beschrieben, die ergänzend
in 4 in einem p-h-Diagramm verdeutlicht sind.
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Im
Heizbetrieb wird das Kältemittel,
das in seinem Ausgangszustand in gleicher Weise wie beim Kühlbetrieb
dampfförmig
vorliegt (Zustand 1 von 1, Zustand 1 von 4),
von dem Kompressor 13 angesaugt und auf einen sehr hohen
Druck komprimiert bzw. verdichtet (Zustand 5 von 1,
Zustand 2 von 4). Im Anschluss hieran wird
das Kältemittel
in der ersten Expansionseinrichtung D1 auf einen Zwischendruck expandiert
bzw. entspannt (Zustand 6 von 1, Zustand 3' von 4).
Anschließend
wird das Kältemittel
in den Innenraumwärmeübertrager 17 geleitet,
in dem es mit der dem Nutzraum zugeführten Luft beaufschlagt wird.
Hierbei gibt das heisse Kältemittel,
abhängig
vom jeweils eingestellten Zwischendruckniveau, Energie an die Nutzraumluft
ab, wobei es entsprechend eine geringere Temperatur annimmt (Zustand 7 von 1,
Zustand 4' von 4).
Die erste Expansionseinrichtung D1 ist vorteilhaft variabel einstellbar,
so dass der Wert des Zwischendruckniveaus verändert werden kann. Das Zwischendruckniveau
liegt in jedem Fall unterhalb des Kompressoraustrittsdrucks und
oberhalb des Kompressoreintrittsdrucks.
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Das
Zwischendruckniveau, das in der 4 zwischen
den Zustandspunkten 3' und 4' dargestellt ist,
kann in Abhängigkeit
vom Luftmassenstrom, der Lufteintrittstemperatur in den Innenraumwärmeübertrager 17 und
dem Wirkungsgrad des Innenraumwärmeübertragers 17 einen
verschieden hohen Wert annehmen. Je höher das Druckniveau zwischen
den Zustandspunkten 3'-4' in der 4 liegt,
desto größer ist
die treibende Temperaturdifferenz, d.h. desto weiter liegt der Zustandspunkt 4' in dem p-h-Diagramm
von 4 links. In diesem Fall kann entsprechend dem
Kältemittel
mehr Energie entzogen werden. In der 4 ist durch "I" schraffiert ein Bereich angedeutet,
in dem der Punkt 4' liegen
kann. Des Weiteren wird das Druckniveau 3'-4' so gewählt, dass das Kältemittel
in Zustand 1 entsprechend überhitzt ist.
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Zweckmäßigerweise
lässt sich
die zweite Expansionseinrichtung D2 ebenfalls variabel einstellen,
so dass die Entspannung des Kältemittels
in der zweiten Expansionseinrichtung D2 und der entsprechende Druckabfall
an den Wert des Zwischendruckniveaus geeignet angepasst werden kann,
das stromaufwärts
der zweiten Expansionseinrichtung D2 nach der ersten Expansionseinrichtung
D1 bzw. nach dem Innenraumwärmeübertrager 17 vorliegt.
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Stromabwärts des
Innenraumwärmeübertragers 17 wird
das Kältemittel
unter Bezugnahme auf die 2 von dem 3-Wege-Ventil 18 nach
links zu der zweiten Expansionseinrichtung D2 geleitet und dort
entspannt, so dass das Druckniveau des Kältemittels weiter abnimmt (Zustand 8 von 1 bzw. 2,
Zustand 5 von 4). Hiernach wird dem Kältemittel
in dem Abgaswärmeübertrager 20 erneut
Energie zugeführt,
so dass das Kältemittel
in den erhitzten Zustand überführt wird,
der dem Zustand am Kompressoreintritt bzw. dem Ausgangszustand des Kältemittels
entspricht (Zustand 1 von 1 bzw. 2,
Zustand 1 von 4). Auch hierbei dient der voranstehend
genannte Sammler 19 zur Aufnahme von eventuell gebildeten
flüssigen
Anteilen des Kältemittels,
so dass von dem Kompressor 13 das Kältemittel lediglich im dampfförmigen Zustand
angesaugt wird. Dadurch können
nachteilige Flüssigkeitsschläge in dem
Kompressor 13 vermieden werden.
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Das
Zwischendruckniveau wird so eingestellt, dass das Kältemittel,
abhängig
von der in dem Abgaswärmeübertrager
nach der Expansion in der zweiten Expansionseinrichtung D2 zugeführten Energie, überhitzt
wird, und wieder in den Kompressor 13 eintritt. Eine Erhöhung des
Zwischendruckniveaus bewirkt tendenziell eine Verringerung der Überhitzung
vor dem Kompressoreintritt, bei konstanter zugeführter Energie in dem Abgaswärmeübertrager und
umgekehrt. Zur Bestimmung der Überhitzung des
Kältemittels
am Kompressoreintritt wird die Kältemitteltemperatur
nach der zweiten Expansionseinrichtung D2 und vor dem Kompressoreintritt
herangezogen. Um die Überhitzung
des Kältemittels
sicherzustellen, muss die Temperatur des Kältemittels am Kompressoreintritt
zumindest gleich der Temperatur nach der zweiten Expansionseinrichtung
D2 sein, damit ein vollständiges
Verdampfen des Kältemittels
sichergestellt ist.
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Der
Abgaswärmeübertrager 20 ist
vorzugsweise in Nähe
der Kraftmaschine bzw. des Motors des Kraftfahrzeugs angeordnet,
so dass der Abgaswärmeübertrager 20 der
Abgaswärme
der Kraftmaschine ausgesetzt ist und entsprechend, wie voranstehend
bereits erläutert,
diese Abwärme
in dem Abgaswärmeübertrager 20 auf
das Kältemittel übertragen
werden kann.
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Die
von der Vorrichtung im Heizbetrieb bereitgestellte Heizleistung
muss jederzeit der von den Insassen des Nutzraums geforderten Heizleistung entsprechen.
Die Regelung der im Innenraumwärmeübertrager 17 übertragenden
Wärme auf
die dem Nutzraum zugeführte
Luft wird unter anderem durch eine Veränderung des von dem Kompressor 13 geförderten
Kältemittelmassenstroms
erreicht. Wird die gewünschte
Heizleistung von den Insassen verringert, so wird entsprechend der
resultierende Kältemittelmassenstrom
reduziert und umgekehrt.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Anpassung der bereitgestellten Heizleistung an die gewünschte Heizleistung
bei konstantem Kompressoransaugdruck besteht darin, den Hochdruck,
d.h. den Kompressorausgangsdruck zu variieren. Eine Reduzierung
des Druckverhältnisses
führt zu
einer Verringerung der in den Kältemittelkreislauf 10 eingebrachten Leistung,
und umgekehrt. Eine Reduzierung des Druckverhältnisses führt prinzipiell zu einer Verbesserung
des Wirkungsgrades des Kompressors 13.
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Bei
ausgeführten
Verstellkompressoren verringert sich prinzipiell der Wirkungsgrad
mit abnehmenden Hub und steigendem Druckverhältnis. Insofern besteht zwischen
der Kältemittelmassenstromregelung
und der Regelung des Druckverhältnisses eine
gegensätzliche
Wirkung. Abhängig
vom Kompressorkennfeld erfolgt die Regelung von Druckverhältnis und
Hubvolumen dergestalt, dass immer der maximale Anlagenwirkungsgrad
bei vorgegebenen Randbedingungen erreicht wird.
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In 5 ist
stark vereinfacht die Möglichkeit einer
prinzipiellen Anordnung der Vorrichtung in einem Motorraum MR eines
Kraftfahrzeuges dargestellt. Die hierin dargestellten Komponenten
des Kältemittelkreislaufs
beziehen sich auf den voranstehend erläuterten Heizbetrieb.
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Der
Abgaswärmeübertrager 20 ist
angrenzend an eine Kraftmaschine, d.h. einen Motor M des Kraftfahrzeugs
angeordnet, so dass ein effizienter Übergang der Abwärme des
Motors M auf den Abgaswärmeübertrager 20 sichergestellt
ist. In dem Kältemittelkreislauf 10 ist
dem Abgaswärmeübertrager 20 der
Kompressor 13 nachgeschaltet, zwischen dem und dem Innenraumraumwärmeübertrager 17 die
erste Expansionseinrichtung D1 angeordnet ist. Des Weiteren ist
wie erläutert
zwischen dem Innenraumwärmeübertrager 17 und
dem Abgaswärmeübertrager 20 die
zweite Expansionseinrichtung D2 angeordnet.
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Die
dem Nutzraum NR des Kraftfahrzeugs zuzuführende Luft ist mit dem Innenraumwärmeübertrager 17 geeignet
gekoppelt. Im Heizbetrieb wird die dem Nutzraum NR zuzuführende Luft
in dem Innenraumwärmeübertrager 17 beheizt.
Entsprechend ist der Innenraumwärmeübertrager 17 in
einem hinteren Bereich des Motorraums MR, d.h. angrenzend zu dem
Nutzraum NR angeordnet, so dass entsprechende Leitungskanäle für die Luft
nicht übermäßig lang
auszuführen
sind. Die in 5 bezeichneten Be triebspunkte
a bis k des Kältemittels
beziehen sich auf den Heizbetrieb und auf das h-p-Diagramm von 4 wobei
zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehend gemachten
Erläuterungen
Bezug genommen wird.