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Die motorischen Antriebe von Fahrzeugen haben inzwischen einen sehr hohen Grad der Kraftstoffverwertung erreicht. Dadurch reduziert sich der Anteil von Abwärme immer mehr, die man zur Heizung des Innenraums der Fahrzeuge nutzbar machen kann. Das gilt schon für gewerbliche Fahrzeuge, wie beispielsweise Lastfahrzeuge. Erst recht gilt dies für Personenkraftfahrzeuge einschließlich Omnibusse, die eine wirksame Innenheizung verlangen.
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Parallel zu dieser Entwicklung werden die Bedürfnisse eines hohen Komforts immer größer, der je nach den äußeren klimatischen Bedingungen außer der Möglichkeit, den Innenraum für Personen angenehm oder für Nutzgüter passend zu erwärmen, auch bedarfsweise eine angemessene Kühlung des Innenraums verlangt. Zu diesem Zweck haben sich sogenannte HLKA Anordnungen eingestellt, d. h. Heizungs-, Lüftungs-, Klimatisierungs-Systeme.
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Mit der Zunahme solcher HLKA Anordnungen steigt auch der Bedarf der zu deren Betrieb erforderlichen Kältemittel immer mehr an. Bisher sind dabei weitgehend noch solche Kältemittel gebräuchlich, die in einem Kältekreislauf mit unterkritischer Betriebsweise und damit auch mit relativ geringen Druckbeanspruchungen betrieben werden können. Die dafür geeigneten Kältemittel – insbesondere die gebräuchlichen FKWs wie das handelsübliche R134a – könnten jedoch umweltschädlich wirken, wenn sie in die Atmosphäre geraten, beispielsweise durch Leckage oder Freiwerden bei Anlagenbeschädigung oder Entsorgung.
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In den letzten Jahren wurden daher Überlegungen angestellt, HLKA-Anordnungen mit überkritischem Betrieb ihres Kältemittels zu betreiben, wobei sich als Kältemittel beispielsweise CO
2 (R744) eignet. Überkritisch arbeitende Anordnungen zum Klimatisieren eines Fahrzeugs zeigen beispielsweise die
EP 0 424 474 B1 ,
DE 44 32 272 C2 und
DE 102 23 712 C1 . Diese bekannten Anordnungen beziehen bisher den Kühlmittelkreislauf des Antriebs des Fahrzeugs nicht in die Auslegung der Anordnung zum Klimatisieren des Fahrzeugs mit ein.
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Die
EP 1 329 344 A1 offenbart zudem eine Wärmesteuervorrichtung für mehrere Wärmetauscher für ein mit einer Brennstoffzelle ausgerüstetes Kraftfahrzeug mit einem Primärkältemittelkreis, in dem ein Kältemittel zirkuliert und in den in Reihe wenigstens ein Kompressor, ein Kondensator, ein Entspanner und ein Verdampfer eingefügt sind, sowie einem Sekundärkreis, in dem ein Wärmefluid zirkuliert und der des weiteren einen ersten, einen zweiten und einen dritten parallelen Zweig aufweist, in denen je ein Tauscher, Kondensator bzw. der Verdampfer eingefügt ist. Weiter verfügt die vorrichtung über Mittel zum wahlweisen Verbinden des ersten Zweigs mit dem zweiten Zweig oder mit dem dritten Zweig und Mittel zum Zirkulierenlassen des Wärmefluids, sowie Mittel zum Steuern des Kompressors, der Mittel zum wahlweisen Verbinden und der Zirkulationsmittel enthält.
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Außerdem beschreibt die
DE 102 53 357 A1 eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Belüftungsanlage, wobei ein Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe über ein Innenwärmeübertragersystem mit der Belüftungsanlage thermisch gekoppelt ist und das Innenwärmeübertragersystem zwei Funktionseinheiten aufweist, wobei die Funktionseinheiten im Heizbetrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe und im Kühlbetrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind und im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb eine der Funktionseinheiten als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist.
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Gemäß der
DE 196 25 927 A1 ist zudem eine Einrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Omnibusses offenbart. Die Einrichtung umfasst einen Verdichter, einen ersten Wärmetauscher, ein Expansionsventil und einen Verflüssiger umfassenden Kältemittelkreislauf, mit einem wenigstens eine Wärmequelle und wenigstens einen zweiten Wärmetauscher umfassenden Heizkreislauf und mit wenigstens einem über ein Umschaltventil wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmetauscher in Strömungsverbindung bringbaren Sekundärkeislauf, in dem wenigstens ein dritter Wärmetauscher zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes angeordnet ist. Zudem ist bei der Einrichtung die Wärmequelle als motorunabhängig betreibbares Fahrzeugzusatzheizgerät ausgebildet, in dem der zweite Wärmetauscher integriert ist und welches gemeinsam mit dem ersten Wärmetauscher und den Umschaltventilen sowie mit Anschlusseinheiten zur Anbindung des dritten Wärmetauschers zu einer Baueinheit zusammengefasst ist, die in einen Aufnahmeraum des Fahrzeuges einschiebbar ist.
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Die
US 5 971 290 A beschreibt zudem ein Wärmeaustauschsystem für ein Elektrofahrzeug mit einem Heißwasser-Heizungskreislauf, der mittels heißem Wasser Luft auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, bevor es in einen Fahrgastraum abgegeben wird und einem Kühlkreislauf zur Kühlung eines Antriebs-Motors mittels Kühlwasser sowie einer Batterie zum Zuführen elektrischer Energie zu dem Antriebs-Motor. Bei dem System werden Vorgänge zum Zu- und Abführen von Wasser unter Verwendung eines einzelnen Vorratsbehälters für den Warmwasserkreis und den Kühlkreislauf durchgeführt.
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Die
DE 693 20 142 T2 offenbart eine Klimaanlage für den Fahrgastraum eines Fahr- zeugs, in der ein Kältemittel in einer Richtung zwischen einem Verdampfer, in dem es Wärme aufnimmt, und einem Kondensator, in dem es Wärme abgibt, zirkuliert.
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Die
DE 198 06 654 A1 lehrt zudem eine Klimaanlage mit einem Kanalnetz, das durch Umschaltung von zwei Strömungsverteilern zwei einen gemeinsamen Kompressor und gemeinsame Expansionseinrichtungen aufweisende Betriebskreisläufe ermöglicht, von denen einer dem Kühlen und der andere dem Heizen des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges dient. Der Heizkreislauf ermöglicht eine sehr schnelle Erwärmung des Fahrgastraumes auch aus kaltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeuges, da der zirkulierende Wärmeträger im Kompressor trägheitslos auf eine maximale Heiztemperatur erwärmt wird. Als Wärmequelle für das Heizen eignet sich das für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine vorgesehene Kanalnetz, wofür beide Kanalnetze über einen gemeinsamen Wärmetauscher gekoppelt sind. Auch für die Verwendung eines gemeinsamen Klimatisierungswärmetauschers für beide Betriebskreisläufe ist die sowohl ein Heizen als auch ein Kühlen ermöglichende Klimaanlage mit verringertem konstruktivem Aufwand ausführbar.
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Aus der
DE 199 37 949 A1 ist weiter eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Heizen und/oder Kühlen eines Fahrzeuginnenraums eines Omnibusses bekannt. Das Verfahren sieht dabei vor, dass kaltes Wärmeträgermedium mit einer Temperatur unterhalb einer Raumtemperatur des Fahrzeuginnenraums bereitgestellt wird, warmes Wärmeträgermedium mit einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur des Fahrzeuginnenraums bereitgestellt wird, warmes und/oder kaltes Wärmeträgermedium mindestens einem wenigstens einen Verbraucher umfassenden Verbraucherkreislauf zugeleitet und in Wärmeaustausch mit Raumluft des Fahrzeuginnenraums gebracht wird, wobei das kalte und/oder das warme Wärmeträgermedium zunächst einen Zentralkreislauf speist, von dem ein Teilvolumenstrom des Wärmeträgermediums dem Verbraucherkreislauf zugeleitet wird. Es ist weiter vorgesehen, dass zu Beginn des Kühlmodus in einem ersten Schritt im Wesentlichen nur kaltes Wärmeträgermedium den Zentralkreislauf speist, wobei dem Verbraucherkreislauf im Wesentlichen kein Wärmeträgermedium zugeleitet wird, und in einem zweiten Schritt einem ersten Verbraucherkreislauf erst dann Wärmeträgermedium aus dem Zentralkreislauf zugeleitet wird, wenn letzterer eine vorbestimmte Solltemperatur erreicht hat.
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Die
DE 102 14 965 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Fahrzeuginnenraums. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Zentralkreislauf, einen Kühlkreislauf zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Zentralkreislauf, einen Heizkreislauf zum Zuführen von Wärmeenergie in den Zentralkreislauf, mindestens einen Verbraucherkreislauf, der mit dem Zentralkreislauf gesteuert in fluidleitende Verbindung gebracht werden kann und einen Verbraucher-Wärmeübertrager am Fahrzeuginnenraum aufweist, sowie mindestens einen Reheatkreislauf, der unter Umgehung des Zentralkreislaufes mit dem Heizkreislauf in fluidleitende Verbindung gebracht werden kann und einen Reheat-Wärmeübertrager aufweist, der einem Verbraucher-Wärmeübertrager zugeordnet ist. Um ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der am Reheat-Wärmeübertrager je nach Bedarf gut steuerbar Wärmeenergie bereitgestellt werden kann, ist eine von einem Antriebsmotor des Fahrzeugs unabhängig antreibbare Pumpe vorgesehen, mittels der Wärmeträgermedium aus dem Heizkreislauf in den Reheatkreislauf gefördert werden kann.
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Die
DE 2 101 955 A offenbart eine Vorrichtung zur indirekten Fahrgastraumkühlung in warmwassergeheizten Kraftfahrzeugen unter Verwendung eines Kaltwassersatzes und einer speziellen Wasserschaltung, die es ermöglicht, die zur Heizung und Lüftung installierten Heizkörper, Gebläse und Luftlenkvorrichtungen in den Fahrgastraumkühlkreislauf zu integrieren.
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Die „Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gaststätten, Unfallverhütungsvorschrift 20 (VWG 20). Kältemittelanlagen, Wärmepumpen und Kühleinrichtungen” erschienen im C. Heymanns Verlag KG, Köln, 1987; beschreibt in § 16; S. 28 ff. und Anhang 2 verschiedene Klassifizierungen von Kältemittelanlagen und entsprechende Bedingungen betreffend die Anordnung der jeweiligen Anlagenkomponenten. Dies betrifft auch die Aufstellung von Kältemittelanlagen, die CO2 als Kältemittel verwenden.
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Bei dieser bekannten Anordnung ist ein geschlossener Kältekreislauf, dessen Kältemittel CO2 ist, im überkritischen Zustand sowohl in einer Heizkonfiguration als auch in einer Kühlkonfiguration betreibbar. In der Heizkonfiguration dient in einem sekundären Kreislauf das Kühlmittel des Antriebsmotors als Wärmetauschfluid und wird von dem in der Heizkonfiguration befindlichen Kältekreislauf zusätzlich aufgeheizt. In der Kühlkonfiguration des Kältekreislaufs bleibt die Kühlflüssigkeit des Antriebsmotors unberücksichtigt, vielmehr wird die Kälte über eine Verrippung des Verdampfers des Kältekreises direkt an den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben.
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Alle erwähnten Anordnungen zum Klimatisieren eines Fahrzeugs mittels eines im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittelkreislaufs haben folgende grundsätzliche Nachteile:
Wesentliche Teile des primären Kältekreislaufs, wie beispielsweise dessen Verdampfer, sind im zu klimatisierenden Innenraum des Fahrzeugs angeordnet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass selbst die Niederdruckseite dieses primären Kältekreislaufs mit dem Kältemittel CO2 bzw. R744 regelmäßig einen sehr hohen Innendruck hat. Auf der Hochdruckseite ist im Betrieb der Innendruck noch deutlich höher. Im Falle irgendeiner Instabilität kann sich dieser Innendruck explosionsartig entladen und dabei beispielsweise geladene Güter und Strukturelemente des Fahrzeugs oder gar Personen verletzen oder töten.
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Leckagen von CO2 können darüber hinaus zu Gesundheitsgefährdungen von Personen führen, die sich im Innenraum des Fahrzeugs befinden.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Klimatisieren eines Fahrzeugs mit Hilfe eines überkritisch betriebenen Kältekreislaufs zu schaffen, dessen von hohem Druck beaufschlagte Komponenten in baulich einfacher Weise außerhalb des klimatisierten Innenraums des Fahrzeugs oder wenigstens fern von dessen gefährdeten Bereichen angeordnet werden können, um so Folgen eines etwaigen explosionsartigen Berstens von Komponenten der Anordnung besser vorzubeugen und auch etwaige Leckagestellen fern von Bereichen, an denen Passagiere Luft des Innenraums des Fahrzeugs einatmen, positionieren zu können.
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Diese Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung wird die Kühlflüssigkeit des Fahrzeugantriebs nicht nur zur Erwärmung des Innenraums genutzt, sondern allgemein als Wärmetauschfluid eines sekundären Kreislaufs, der mit dem Kältekreislauf sowohl in der Heizkonfiguration als auch in der Kühlkonfiguration im Wärmetausch steht und somit auch zur Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs nutzbar gemacht wird. Dabei braucht betriebsabhängig lediglich der Kühlkreislauf des Antriebs des Fahrzeugs zeitweise von dem mit dem gleichen Wärmetauschfluid gefüllten sekundären Kreislauf abgekoppelt zu werden. Im Vergleich mit der bekannten Anordnung, von der die Erfindung ausgeht, wird insbesondere der Verdampfer des überkritisch betriebenen Kältekreislaufs nicht mehr zur direkten Abgabe von Kühlleistung an den Innenraum des Fahrzeugs verwendet, sondern kann sogar fern vom zu klimatisierenden Innenraum des Fahrzeugs angeordnet werden. Entsprechendes gilt auch für alle anderen berst- oder leckagegefährdeten Bauelemente des Kältekreislaufs. Nach der Erfindung wird vielmehr auch in der Kühlkonfiguration die Kühlleistung über den dann vom Kühlkreislauf des Antriebs des Fahrzeugs abgekoppelten sekundären Kreislauf an eine Wärmetauscheinrichtung übertragen, die ihrerseits an ihrer zweiten äußeren Seite die Kühlleistung an den Innenraum des Fahrzeugs abgibt. Der sekundäre Kreislauf wird dabei typischerweise von 1 bis 1,5 bar Überdruck betrieben und ist dabei weder besonders berst- noch leckagegefährdet.
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Die Ansprüche 2 bis 4 zeigen, wie im Rahmen der Erfindung die Verwendung von erforderlichen Bauteilen rationalisiert werden kann, indem jeweils gleiche Bauteile für den Heizkreis und den Kühlkreis des Kältekreislaufs genutzt werden.
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Anspruch 5 betrifft die Ausführung, den gesamten überkritisch betriebenen Kälte-Kreislauf mitsamt all seinen Komponenten außerhalb des zu klimatisierenden Innenraums anzuordnen. Gemäß Anspruch 6 wird die Anordnung gemäß der Erfindung auch auf den Fall ausgedehnt, dass statt eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors – oder als Hilfsaggregat neben diesem – ein batteriebetriebener elektromotorisch betriebener Antrieb vorgesehen ist, dessen Batterie auf einer optimalen Betriebstemperatur gehalten wird.
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Mit Anspruch 7 wird insbesondere die Möglichkeit erfasst, die Fördermittel der Kühlflüssigkeit des motorischen Antriebs zum Fördern des Wärmetauschfluids im sekundären Kreislauf mit nutzbar zu machen und in soweit eigene Fördereinrichtungen in diesem sekundären Kreislauf ganz oder teilweise abschalten zu können. Das gilt insbesondere in der Heizkonfiguration, wenn der motorische Antrieb ein Verbrennungsmotor oder ein batteriebetriebener Antrieb bei niederer Außentemperatur ist, oder in der Kühlkonfiguration, wenn ein batteriebetriebener Antrieb bei hoher Außentemperatur gekühlt wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird sowohl in der Kühl- als auch in der Heizkonfiguration die betreffende Klimatisierungsleistung vom sekundären, mit der Kühlflüssigkeit des motorischen Antriebs gespeisten Kreislauf über eine Wärmetauscheinrichtung an den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben.
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Eine weitere Ausgestaltung betrifft den Fall, dass dabei im Stand oder Fahrbetrieb verschiedene Bereiche des Innenraums des Fahrzeugs unterschiedlich und gegebenenfalls in zeitlicher Folge klimatisiert werden sollen und dabei auch erforderlichenfalls Wärmeenergie oder Kälteleistung an den motorischen Antrieb übertragen werden soll.
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Als Mittel wird dabei die sekundäre Wärmetauscheinrichtung funktionsgerecht in einzelne Wärmetauschsektionen unterteilt und gegebenenfalls die gesamte Wärmetauscheinrichtung oder einzelne Sektionen davon im Bypass umgangen.
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Grundsätzlich können mehrere derartige Sektionen in Serie, parallel oder gemischt in Serie und parallel geschaltet werden.
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Die einzelnen Sektionen kann man somit vorab bedarfsgerecht dimensionieren. Eine Ausgestaltung betrifft den bevorzugten Fall einer Parallelschaltung der Sektionen, bei der bei vorgegebener Dimensionierung auch noch eine Feinjustierung durch Einstellung des Massenstroms durch die betreffende Wärmetauschsektion mittels einer Ventileinrichtung vorgenommen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass gesonderte Sektionen einerseits für den Kühlkreislauf des motorischen Antriebs und andererseits für den restlichen sekundären Kreislauf des Wärmetauschfluids unabhängig eingerichtet werden. Dies hat dann besondere Bedeutung, wenn die betreffende Sektion in der Kühlkonfiguration vom Kühlkreislauf des motorischen Antriebs abgetrennt ist, weil sie dann nur, beispielsweise, zur Luftentfeuchtung mittels des Kühlkreislaufs des motorischen Antriebs nutzbar gemacht werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung betrifft den Fall, bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Anordnung zunächst eine bestimmte Stelle des zu klimatisierenden Innenraums des Fahrzeugs zu versorgen, eine Maßnahme, die zur Defrostung des Fahrerplatzes von besonderer Bedeutung ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Anordnung auch über einen sonst absperrbaren Bypass zu einer Vortemperierung des motorischen Antriebs genutzt werden, um nach dem Start des Fahrzeugs den motorischen Antrieb ohne größeren Zeitverlust auf die Betriebstemperatur bringen zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Anordnung zugleich auch als zusätzliche Temperierungsquelle nutzbar gemacht werden, insbesondere zur ergänzenden Temperierung der Kühlflüssigkeit des motorischen Antriebs oder auch sogar als Standheizung. Für diesen Anwendungsfall ist lediglich sicherzustellen, dass auch bei stehendem Antriebsmotor des Fahrzeugs die Verdichtereinrichtung und eventuelle Zusatzaggregate, wie etwa Ventilatoren und Pumpen, noch einen Hilfsantrieb haben, wie beispielsweise einen Elektroantrieb, der von einem externen Netz gespeist werden kann, falls die Batteriekapazität des Fahrzeugs nicht ausreicht.
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Zur Steuerung der verschiedenen Wärmetauschsektionen und gegebenenfalls zu deren Umgehung mittels eines Bypass kann jede beliebige mechanische, elektrische, elektronische oder auch digitale Steuereinrichtung eingesetzt werden. Besonders einfach und zugleich robust ist dabei der Einsatz konventioneller hydraulischer Mehrwegeschaltmittel.
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Die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich bei jedem Fahrzeug einsetzen, dessen Antriebsmotor durch eine Kühlflüssigkeit temperiert ist, die als Wärmetauschfluid geeignet ist.
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Dies trifft insbesondere für Verbrennungsmotoren zu, wie auch für den äquivalenten Ersatz oder die Ergänzung von Antriebsmotoren, wie den oben genannten Verbrennungsmotoren.
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Insbesondere kommen dabei straßen- oder schienengebundene Nutzfahrzeuge in Frage, darunter insbesondere Omnibusse für den Personenverkehr. Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild der Anordnung;
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2 eine baulich reduzierte Anordnung der Schaltung gemäß 1;
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3 eine baulich reduzierte Anordnung der Schaltung gemäß 2;
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4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Omnibus mit Positionierung der Anordnung, beispielsweise gem. 1, 2 oder 3, im Motorraum des Omnibusses;
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4a eine Variante von 4 mit eigenständiger Klimatisierung des Fahrerplatzes;
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5 eine spezielle Anordnung im zweiten Kreislauf von 1, 2 oder
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3 zur Unterteilung der Klimatisierung des Innenraumes in verschiedene Klimazonen;
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5a eine funktionelle Darstellung der Anordnung von 5 in Betriebsweise als Ergänzungsheizung;
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5b eine funktionelle Darstellung der Anordnung von 5 in Betriebsweise als Defrosterheizung und
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5c eine funktionelle Darstellung der Anordnung von 5 im Kühlbetrieb.
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In 6 und den 6a bis 6c sind die Schaltungen gemäß den Prinzipdarstellungen der 5 und 5a bis 5c jeweils mittels eines einzigen 3/5-Wegeventils realisiert.
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Die Anordnung zum Klimatisieren eines Fahrzeugs gemäß 1 weist einen überkritisch betreibbaren Kältekreislauf 2 sowie einen sekundären Kreislauf 16 auf, die miteinander im Wärmetausch wechselwirken.
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Als Kältemittel des Kältekreislaufs 2 kommt insbesondere CO2 in Frage. Als Wärmetauschfluid des sekundären Kreislaufs 16 dient insbesondere Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 24 für den motorischen Antrieb 26 des Fahrzeugs.
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Der Kältekreislauf 2 ist in einer Kühlkonfiguration 2a und in einer Heizkonfiguration 2b jeweils in einem geschlossenen Kreislauf betreibbar. Sowohl in der Kühlkonfiguration 2a als auch in der Heizkonfiguration 2b wird das Kältemittel durch eine Verdichtereinrichtung 4 komprimiert und dann im zugehörigen Kreislauf einer zugeordneten Expansionseinrichtung, nämlich in der Kühlkonfiguration 2a der Eingangsseite 8a der ersten Expansionseinrichtung 8 und in der Heizkonfiguration 2b der Eingangsseite 12a der zweiten Expansionseinrichtung 12 zugeleitet. Der Bereich des jeweiligen Kreislaufs zwischen der zugehörigen Verdichtereinrichtung 4 und den Eingangsseiten 8a bzw. 12a der zugehörigen Expansionseinrichtung 8 bzw. 12 ist die Hochdruckseite des ersten Kältekreislaufs 2.
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Auf der Niederdruckseite des jeweiligen Kreislaufs ist die Ausgangsseite 8b bzw. 12b der jeweiligen Expansionseinrichtung 8 bzw. 12 an die erste Seite 10a bzw. 14a einer somit niederdruckseitigen ersten Wärmetauscheinrichtung 10 und zweiten Wärmetauscheinrichtung 14 angeschlossen, um von dort zum Eingang der Verdichtereinrichtung 4 zurückgeführt zu werden. Der Bereich zwischen dem jeweiligen Ausgang der Expansionseinrichtung 8 bzw. der Expansionseinrichtung 12 und dem Eingang der Verdichtereinrichtung 4 beschreibt die Niederdruckseite des Kältekreislaufs 2.
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In der Kühlkonfiguration 2a des Kältekreislaufs 2 ist in dessen Hochdruckseite eine Seite eines Gaskühlers 6 eingeschaltet, der auch als hochdruckseitige Wärmetauscheinrichtung bezeichnet wird. Die andere Seite dieser Wärmetauscheinrichtung steht mit Umgebungsluft im Wärmetausch. In der Heizkonfiguration 2b entfallt die Funktion des Gaskühlers. Wenn wie in 1 die Kühlkonfiguration 2a und die Heizkonfiguration 2b gesondert ausgebildet sind und wahlweise durch eine Dreiwegeschaltung 3 mit beliebiger Schaltvorrichtung (Dreiwegeventil, zwei Zweiwegeventile, etc.) in Betrieb genommen werden können, kann in der Heizkonfiguration 2b der Gaskühler 6 gänzlich entfallen. Bei nachfolgend noch im Detail beschriebenen vereinfachten Anordnungen kann er auch stattdessen in der Heizkonfiguration 2b umgangen werden.
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Bei der Anordnung gemäß 1 ist der Kühlkonfiguration 2a und der Heizkonfiguration 2b dieselbe Verdichtereinrichtung 4 zugeordnet. Das führt auch dazu, dass hierbei die ersten Seiten 10a bzw. 14a der ersten Wärmetauscheinrichtung 10 der Kühlkonfiguration 2a und der zweiten Wärmetauscheinrichtung 14 der Heizkonfiguration 2b schaltungsmäßig miteinander verbunden bleiben können. In nicht dargestellter Weise könnte man aber auch unter Aufgabe dieser Verbindung und unter Verzicht auf die Dreiwegeschaltung 3 für die Kühlkonfiguration 2a und die Heizkonfiguration 2b auch jeweils einen unabhängigen Kreislauf mit jeweils eigener Verdichtereinrichtung vorsehen.
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Der sekundäre Kreislauf 16 dient dazu, die im Kältekreislauf 2 in der Kühlkonfiguration 2a gewonnene Kälteleistung oder die in der Heizkonfiguration 2b gewonnene Heizleistung an den zu klimatisierenden Innenraum 20 zu übertragen. Hierzu ist zur wärmetauschmäßigen Kopplung des sekundären Kreislaufs 16 an den Kältekreislauf 2 der Kreislauf 16 mit Parallelschaltung der zweiten Seiten 10b und 14b der ersten Wärmetauscheinrichtung 10 und der zweiten Wärmetauscheinrichtung 14 angeschlossen. Außerdem verläuft der Kreislauf 16 durch die jeweils erste Seite 18a bzw. 22a einer Kühleinrichtung 18 und einer Heizeinrichtung 22, deren jeweils im Wärmetausch angekoppelte zweite Seiten 18b bzw. 22b ihrerseits im Wärmetausch mit dem zu klimatisierenden Innenraum 20 des Fahrzeugs stehen.
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Der sekundäre Kreislauf 16 hat dabei verschiedene Betriebsweisen. In der ersten Betriebsweise des sekundären Kreislaufs 16 ist er in den Kühlkreislauf 24 des motorischen Antriebs 26 mit einbezogen. In der zweiten Betriebsweise des Kreislaufs 16 ist dieser in sich geschlossen mit eigener Fördereinrichtung 30 seines Wärmetauschfluids. Dies entspricht den beiden Stellungen einer Dreiwegeschaltung 28, die in der ersten Betriebsweise den Kühlkreislauf 24 des motorischen Antriebs 26 mit einbezieht und diesen in der zweiten Betriebsweise gem. der in 1 dargestellten Schaltung abkoppelt.
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Weiterhin kann beispielsweise im Kältekreislauf 2 ein kreisprozeßinterner Wärmetauscher zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite angeordnet sein. Ebenso ist üblicherweise im Kältekreislauf 2 ein niederdruckseitiger Sammler vorsehbar. Außerdem sind gemäß den normgerechten Darstellungen der wärmetauschenden Einrichtungen 6, 18 und 22 diese mit zugehörigen Luftfördereinrichtungen sekundärseitig ausgestattet.
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In der baulichen Vereinfachung von 1 gemäß 2 sind die erste Wärmetauscheinrichtung 10 und die zweite Wärmetauscheinrichtung 14 zu einer einzigen Wärmetauscheinrichtung 1014 zusammengefasst. Die Dreiwegeschaltung 3 ist hierbei nur noch dazu vorgesehen, in der Heizkonfiguration 2b den in der Kühlkonfiguration 2a einbezogenen Gaskühler 6 zu umgehen. Im Kreislauf 16 bedeutet die Reduzierung auf eine einzige erste und zugleich zweite Wärmetauscheinrichtung 1014 auch, dass die Kühleinrichtung 18 und die Heizeinrichtung 22 ebenfalls zu einer einheitlichen Wärmetauscheinrichtung 1822 zusammengefasst sind.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf 1 Bezug genommen, mit deren Anordnung 2 sonst übereinstimmt.
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Einen weiteren Vereinfachungsschritt zeigt 3 in weiterer Vereinfachung von 2.
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In 3 ist anstelle der jeweiligen ersten Expansionseinrichtung 8 und der zweiten Expansionseinrichtung 12 von 1 nur noch eine einzige Expansionseinrichtung 812 vorgesehen, so dass in der Heizkonfiguration 2b des Kältekreislaufes 2 der Gaskühler 6 der Kühlkonfiguration 2a im Bypass umgangen wird.
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In 4 ist die Anordnung gemäß 3 in einem Omnibus 21 realisiert. Dieser weist in seinem Vorderteil den zu klimatisierenden Innenraum 20 auf, der durch eine wärmedämmende Zwischenwand 23 von einem hinteren nicht klimatisierten Abteil 25 abgetrennt ist. Dieses dient als Motorraum des Omnibusses. Dementsprechend ist in diesem Abteil 25 der motorische Antrieb 26 von 3 angeordnet. Ebenso sind in diesem Abteil 25 alle anderen wesentlichen Komponenten der Anordnung von 3 mit folgender Ausnahme angeordnet: Ein Teilbereich des Kreislaufs 16 ragt in den zu klimatisierenden Innenraum 20 mit entsprechenden Leitungen des Kreislaufs in dessen Dachbereich hinein und steht über die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822 in Wärmetausch mit dem zu klimatisierenden Innenraum 20. Das bedeutet auch, dass alle Bauelemente, die vom Kältemittel des Kältekreislaufs 2 und damit mit sehr hohem Druck beaufschlagt sind, im Abteil 25 angeordnet und daher vom zu klimatisierenden Innenraum 20 und insbesondere den sich dort aufhaltenden Personen separiert sind. Es ist dabei zweckmäßig, die Zwischenwand 23 nicht nur wärmedämmend, sondern auch splittersicher gegen etwaige herausgesprengte Bauelemente der Klimatisierungsanordnung auszuführen. Ebenso ist es zweckmäßig, die Zwischenwand 23 so gasdicht auszubilden, dass bei Bersten oder auch nur rissig oder porös werdenden Bauelementen der Klimatisierungsanordnung jedenfalls kein übermäßiger Eintritt von CO2 oder Kältemittel des Kältekreislaufs 2 in den Innenraum 20 auftritt.
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Analoge Überlegungen und Anordnungen gelten bei Einbau sonstiger Ausführungsformen der Anordnung zum Klimatisieren in einen Omnibus, insbesondere hinsichtlich der 1 und 2.
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4a betrifft den Sonderfall, dass der sekundäre Kreislauf 16 vom Kühlkreislauf 24 des motorischen Antriebs 26 des Fahrzeugs mittels der Dreiwegeschaltung 28 abgekoppelt ist.
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Auch dann kann man unter Betrieb der Fördereinrichtung 30 die Klimatisierungsanordnung sowohl in der Kühlkonfiguration 2a als auch in der Heizkonfiguration 2b betreiben. Hierzu ist unter Anlehnung an 3 die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822 zunächst in zwei Einheiten 1822x und 1822y aufgeteilt, und zwar um einerseits den eigentlichen Passagierraum 20 und andererseits den Fahrerplatz 27 zu klimatisieren. Die Aufteilung der Klimatisierungsleistung kann dabei durch Strömungsventile 29x und 29y bedarfsabhängig erfolgen.
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Von besonderer Bedeutung auch im Hinblick auf sonstige Ausführungsformen der Klimatisierungsanordnung ist hier, dass Abwärme des Kühlkreislaufs 24 zusätzlich nutzbar gemacht wird. Hierzu wird der Kühlkreislauf 24 durch eine Leitungsschleife 31 angezapft, die beispielsweise im Boden des Omnibusses verlegt ist und mit einem Zweig 31x zur Klimatisierung des Innenraums 20 beispielsweise bis in den Dachbereich des Omnibusses und mit einem anderen Zweig 31y bis in den Bereich des Fahrerplatzes 27 reicht. Diese Zweige speisen einerseits einen weiteren Heizwärmetauscher 33x, der die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822x ergänzt, und andererseits einen weiteren Heizwärmetauscher 33y, der im Bereich des Fahrerplatzes 27 die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822y ergänzt. In beiden Zweigen sind wiederum zur Leistungsaufteilung Strömungsventile 35x und 35y einbezogen.
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Die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822x ist im Ausführungsbeispiel mit einem weiteren Heizungswärmetauscher 33x in Luftrichtung hintereinandergeschaltet. Entsprechend ist die dem Fahrerplatz zugeordnete einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822y mit einem weiteren Heizungswärmetauscher 33y luftseitig hintereinandergeschaltet.
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Ist der Kältekreislauf 2 in der Kühlkonfiguration 2a, so kann mittels der einheitlichen Wärmetauscheinrichtungen 1822x und 1822y der Klimatisierungsluft Luftfeuchtigkeit entzogen werden. Im Anschluss kann die gekühlte trockene Luft mittels der Heizungswärmetauscher 33x beziehungsweise 33y wieder erwärmt werden. Eine derartige Funktion dient beispielsweise der Fensterklarung und zwar sowohl im Standbetrieb als auch im Fahrbetrieb.
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Die beschriebene Möglichkeit, das Kühlwasser des Kühlkreislaufes 24 eigenständig nutzbar zu machen, eröffnet durch Weiterbildung der Schaltung weitere Funktionen.
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Wiederum an die besonders einfache Bauweise von 3 anknüpfend, wird in 5 die in 4a schon vorgebildete Schaltung im Bereich des sekundären Kreislaufs 16 wie folgt weitergebildet:
Zunächst ist zu den bereits gemäß 4a beschriebenen parallel geschalteten einheitlichen Wärmetauscheinrichtungen 1822y und 1822x noch eine weitere einheitliche Wärmetauscheinrichtung in vereinheitlichter Bauweise 1822z parallel geschaltet. Dies soll auch verdeutlichen, dass die Anzahl solcher Wärmetauscheinrichtungen beliebig sein kann.
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Wie es die Bezeichnung der eingefügten zusätzlichen einheitlichen Wärmetauscheinrichtung 1822z andeutet, kann diese beispielsweise ein Paar mit der vereinheitlichten Wärmetauscheinrichtung 1822x bilden, um etwa im Dachbereich des Omnibusses im Winkelbereich zu den beiden Seitenwänden je eine eigene Wärmetauscheinheit zur Verfügung zu stellen, die in üblicher Weise je einem Luftkanal zugeordnet sein kann. Diese Möglichkeit ist jedoch nur eine von vielen.
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An sich könnte man jede der Wärmetauscheinrichtungen 1822y, 1822x und 1822z wahlweise über ein Zweiwegeventil in die Funktion des sekundären Kreislaufs 16 einbeziehen oder aus dieser abschalten. Stattdessen ist in 5 die einheitliche Wärmetauscheinrichtung 1822z – stellvertretend auch für die anderen, die in 4a ebenso wie in 5 durch Zweiwegeventile 29x und 29y angesteuert werden – nicht nur durch ein Zweiwegeventil, sondern durch eine Dreiwegeregeleinrichtung 40 ansteuerbar, die stufenlos die Kühlflüssigkeit der Motorkühlung einerseits auf die Wärmetauscheinrichtung 1822z und andererseits auf eine Bypassleitung 44 verteilt. Dadurch kann die Druckbeaufschlagung aller parallel geschalteten Wärmetauscheinrichtungen durch mehr oder minder große Beaufschlagung der Bypassleitung eingestellt werden. Wenn man ferner unter Berücksichtigung der Dimensionierung der einzelnen Wärmetauscheinrichtungen die Dreiwegeregeleinrichtung 40 besonders spezifisch in Bezug auf eine der Wärmetauscheinrichtungen leistungsmäßig auslegt, hier speziell unter Bezug auf die Wärmetauscheinrichtung 1822z, kann man je nach den Erfordernissen die Auswirkung auf die jeweils anderen Wärmetauscheinrichtungen mehr oder minder stark reduzieren. Die Bypassleitung 44 wird zweckmäßig so genutzt, dass bei konstanter Fördermenge der Fördereinrichtung 30 im Falle geringer Leistungsanforderungen im zu klimatisierenden Innenraum 20 keine unzulässige Druckerhöhung innerhalb des sekundären Kreislaufs 16 erfolgt.
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Die Ankopplung des sekundären Kreislaufs 16 an den Kältekreislauf 2 wird nur aus Vereinfachungsgründen unter Bezug auf die einzige Wärmetauscheinrichtung 1014 beschrieben, entsprechendes würde analog bei Ankopplung an einzelne erste und zweite Wärmetauscheinrichtungen 10 und 14 im Sinne von 1 gelten. Die einzelnen Wärmetauscheinrichtungen 1822y, 1822x und 1822z sind, wie erwähnt, parallel geschaltet, und zwar in 5 zwischen einer ersten Leitung 45 und einer zweiten Leitung 46. Die erste Leitung 45 ist über ein erstes Rückschlagventil 42 mit dem Auslass des Antriebsmotors 26 verbunden, während ein zweites Rückschlagventil 43 die zweite Leitung 46 mit dem Einlass des Kühlkreislaufes 24 des Antriebsmotors 26 verbindet. Die beiden Rückschlagventile 42 und 43 sind so eingesetzt, dass sie in Nachbarschaft des Antriebsmotors 26 bei normaler Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit durch das Kühlsystem des Antriebsmotors offen sind.
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Die beiden Leitungen 45 und 46 sind über je ein Dreiwegeumschaltventil 38, 39 an Einlass und Auslass der zweiten Seite der Wärmetauscheinrichtung 1014 angeschlossen. Dabei verbindet das Dreiwegeumschaltventil 38 wahlweise die Leitung 47 oder die Leitung 46 mit dem Einlass der Wärmetauscheinrichtung 1014, während ein Dreiwegeumschaltventil 39 den Auslass der Wärmetauscheinrichtung 1014 wahlweise mit dem dem Antriebsmotor 26 nahen Ast 47 oder dem dem Antriebsmotor 26 fernen Ast 48 der Leitung 45 verbindet. Beide Äste sind jeweils an mindestens eine Wärmetauscheinrichtung angeschlossen. Im bevorzugten konkreten Fall ist der erste Ast 47 nur an die Wärmetauscheinrichtung 1822y angeschlossen, welche den Fahrerplatz 27 klimatisiert, während der andere Ast 48 allen anderen Wärmetauscheinrichtungen 1822x, 1822z sowie der Bypassleitung 44 zugeordnet ist.
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Diese Verschaltung ermöglicht drei verschiedene Betriebsweisen gemäß den 5a bis 5c.
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5a stellt eine Betriebsweise als Ergänzungsheizung dar.
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Der Kältekreislauf 2 wird in der Heizkonfiguration 2b betrieben. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist durch Pfeile angedeutet.
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Der sekundäre Kreislauf 16 ist durch Kombinationsschaltung der Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 mit dem Kühlkreislauf 24 des Antriebsmotors 26 verknüpft. Die Strömungsrichtungen der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 24 des Antriebsmotors 26 sind in 5a ebenfalls anhand von Pfeilen wiedergegeben. Die Schaltstellung der Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 ist durch Schwärzung wiedergegeben. Vorgewärmte Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 24 des Antriebsmotors 26 wird über den Ast 47 und das Dreiwegeumschaltventil 38 mittels einer Fördereinrichtung 30 in die Wärmetauscheinrichtung 1014 gefördert, wobei die Kühlflüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem Kältekreislauf 2, der in der Heizkonfiguration 2b geschaltet ist, steht und eine Temperaturerhöhung erfährt. Weiterhin wird über den Ast 47 die Wärmetauscheinrichtung 1822y mit erwärmter Kühlflüssigkeit betrieben, wobei die zur Erwärmung benötigte Leistung anhand des Strömungsventils 29y eingestellt wird.
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Mittels des zweiten Dreiwegeumschaltventils 39 wird die zusätzlich erwärmte Kühlflüssigkeit in den Ast 45 geleitet und den einheitlichen Wärmetauscheinrichtungen 1822x und 1822z zugeführt. Durch das zugehörige Strömungsventil 29x und die Dreiwegeregelventileinrichtung 40 ist die dem Innenraum zugeführte Wärmemenge bedarfsabhängig regelbar. Über die zweite Leitung 46 wird die Kühlflüssigkeit zum Antriebsmotor 26 zurückgeleitet.
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Mittels der Ergänzungsheizung und deren Schaltung nach 5a kann bei nicht ausreichender Abwärme des Antriebsmotors 26 die Kühlflüssigkeit ausreichend erwärmt werden, um somit die Erwärmung des Innenraumes entsprechend den Behaglichkeitskriterien sicherzustellen.
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5b gibt schematisch die Anordnung als Defrostschaltung wieder.
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Hierbei wird der Kältekreislauf 2 in der Heizkonfiguration 2a betrieben. Die in 5b eingefügten Pfeile repräsentieren wiederum die Strömungsrichtung sowohl des Kältemittels des Kältekreislaufs 2 wie auch der Kühlflüssigkeit des sekundären Kreislaufs 16.
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Die Schaltstellung der Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 ist wiederum durch Schwärzung hervorgehoben. Durch die Schaltungskombination der beiden Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 ist die dem Fahrerplatz zugeordnete Wärmetauscheinrichtung 1822y in Verbindung mit den Rückschlagventilen 42 und 43 vollständig vom Kühlkreislauf 24 des Antriebsmotors 26 einerseits und von den Wärmetauscheinrichtungen 1822x und 1822z andererseits getrennt. Die gesamte durch den Kältekreislauf 2 bereitgestellte Wärmemenge wird an einen abgetrennten Teilbereich des sekundären Kreislaufs 16 mittels Wärmetauscher 1014 abgegeben. Die somit abgetrennte und erwärmte Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs 16 wird mittels des Dreiwegeumschaltventils 39 über den Ast 47 und das Strömungsventil 29y zu der Wärmetauscheinrichtung 1822y geleitet, deren zweite Seite unter Wärmeabgabe in Wärmetausch mit der zu klimatisierenden Luft steht, und wird über einen Teilbereich der zweiten Leitung 46 und über das Dreiwegeumschaltventil 38 durch das Fördermittel 30 zur Wärmetauscheinrichtung 1014 geleitet, um erneut Wärme vom Kältekreislauf 2 aufzunehmen.
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Eine derartige Schaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Scheibe im Bereich des Fahrerplatzes 27 bei extremer Kalte vereist ist und unmittelbar bereitgestellte Wärme die Enteisung beschleunigt.
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In 5c ist in schematischer Darstellung der Kühlbetrieb der Anordnung nach 5 wiedergegeben.
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Auch in dieser Darstellung geben Pfeile Hinweis auf die Strömungsrichtung des Kältemittels des Kältekreislaufs 2 wie auch der Kühlflüssigkeit des sekundären Kreislaufs 16.
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Der Kältekreislauf 2 ist in der Kühlkonfiguration 2a betrieben. Die Schaltstellung der Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 ist in Durchflussrichtung geschwärzt dargestellt. Mittels der Fördereinrichtung 30 wird die Kühlflüssigkeit des sekundären Kreislaufs 16 der Wärmetauscheinrichtung 1014 zugeleitet, in der diese im Wärmetausch mit dem Kältemittel des Kältekreislaufs 2 eine Abkühlung erführt. Mittels des Dreiwegeumschaltventils 39 wird die gekühlte Kühlflüssigkeit des sekundären Kreislaufs 16 in den Ast 45 geleitet und bedarfsabhängig den Wärmetauscheinrichtungen 1822x und 1822z, anhand des jeweils zugeordneten Strömungsventils 29x oder des Dreiwegeregelventils 40 geregelt, zugeleitet. In den Wärmetauscheinrichtungen 1822x und 1822z steht die Kühlflüssigkeit des sekundären Kreislaufs 16 in Wärmetausch mit zu klimatisierender, im gegebenen Fall zu kühlender Luft des Innenraums 20. Durch einen Teilbereich der zweiten Leitung 46 wird die Kühlflüssigkeit über das Dreiwegeumschaltventil 38 wiederum zum Fördermittel 30 geleitet.
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Die Wärmetauscheinrichtung 1822y ist durch die Schaltungskombination von dem Teilkreislauf der gekühlten Kühlflüssigkeit getrennt, jedoch mit dem Kühlkreislauf 24 des Antriebsmotors 26 verbunden und kann somit zur Erwärmung der Luft im Bereich des Fahrerplatzes 27 genutzt werden. Die Kühlung des Fahrerplatzes 27 wäre in der gezeigten Ausführung durch Ergänzung des sekundären Kreislaufs 16 mit einer zu 1822x und 1822z parallel geschalteten und mittels eines Strömungsventils leistungsgeregelten Wärmetauscheinrichtung möglich, wodurch sich eine einfache und kostengünstige Scheibenklarung mittels getrockneter Luft im Bereich des Fahrerplatzes realisieren lässt.
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Eine bevorzugte bauliche Realisierung ist in den 6 sowie 6a bis 6c dargestellt, die schaltungsmäßig den 5 sowie 5a bis 5c jeweils identisch entsprechen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Dreiwegeumschaltventile 38 und 39 der Figuren der Fünferserie jeweils gemäß der Grundsatzdarstellung in 6 durch ein 3/5-Wegeventil 50 ersetzt sind, das für die Steuerung der drei prinzipiellen Betriebsweisen der 5a bis 5c jeweils gemäß den entsprechen 6a bis 6c eine seiner drei Stellungen einnimmt.
