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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für einen Kompressor einer Klima- und/oder Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Sensor und einer Steuereinheit, wobei durch den Sensor jeweils zumindest eine Messgröße erfassbar ist, die durch die Steuereinheit auswertbar ist, wobei die Messgröße kabellos zwischen dem Sensor und der Steuereinheit übertragbar ist und der Sensor eine von der Steuereinheit unabhängige Energieversorgung aufweist.
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Stand der Technik
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Für die Regelung der Belüftung und Klimatisierung eines Fahrzeugs sowie die Regelung der Kältemittelkreisläufe und Heizkreisläufe werden verschiedene Messgrößen, wie beispielsweise Drücke oder Temperaturen, erfasst. Hierzu zählen unter anderem die Luftaustritttemperaturen im Innenraum, die Lufttemperatur nach dem Verdampfer oder andere Innenraumtemperaturen. Auf Grundlage dieser Messgrößen werden Stellgrößen ermittelt, die an die Klima- und Belüftungsanlagen gesendet werden, um einen vorgegebenen Zielwert zu erreichen. Hierzu können Klappen in der Klimaanlage verstellt werden oder die geförderte Luftmenge beeinflusst werden. Zusätzlich dazu kann auch die Ansteuerung eines Kompressors im Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage beeinflusst werden.
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Insbesondere in Kältemittelkreisläufen, die mit dem Kältemittel R744 (CO2) betrieben werden, sind Messgrößen wie der Kältemittelhochdruck oder die Kältemittelheißgastemperatur von großer Bedeutung für die betriebssichere Ansteuerung des Kompressors. Für diese beiden beispielhaften Messgrößen sind jeweils die höchsten auftretenden Werte von besonderem Interesse. Diese Höchstwerte treten regelmäßig innerhalb des Kompressors auf.
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Um diese Messgrößen zu erfassen, werden bei Lösungen im Stand der Technik Sensoren verwendet, welche über eine Verkabelung an ein oder mehrere Steuergeräte angebunden sind. Dabei wird sowohl die Weiterleitung von Messgrößen als auch die eventuell notwendige Energieversorgung durch entsprechende Verkabelungen realisiert. Insbesondere werden die Sensoren oft an besonders gut zugänglichen Stellen angeordnet, was im Falle des Kompressors beispielsweise dazu führt, dass die Messwerte nicht im Kompressor selbst, sondern an einer dem Kompressor nachgelagerten Stelle erfasst werden.
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Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass durch die Verkabelung der Sensoren ein hoher Montageaufwand zu betreiben ist. Auch werden die verwendeten Kabelbäume mit zunehmender Sensoranzahl immer komplexer, was sie teurer macht. Mit jeder physischen Schnittstelle die sich zwischen einem Steuergerät und einem Sensor ergibt, steigt zudem die Kurzschlussanfälligkeit des Gesamtsystems. Außerdem ist eine für eine Messgröße optimale Messstelle durch einen kabelgebundenen Sensor oft nur schwer zu erreichen. Außerdem machen kabelgebundene Lösungen Durchführungen oder Öffnungen notwendig, wodurch die Dichtigkeit und die Dauerhaltbarkeit eingeschränkt werden.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung für einen Kompressor einer Klima- und Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, welche sowohl die Energieversorgung als auch die Übertragung der Messgrößen der Sensoren drahtlos realisiert. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung einen Kompressor mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für einen Kompressor einer Klima- und/oder Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Sensor und einer Steuereinheit, wobei durch den Sensor jeweils zumindest eine Messgröße erfassbar ist, die durch die Steuereinheit auswertbar ist, wobei die Messgröße zumindest bereichsweise kabellos zwischen dem Sensor und der Steuereinheit übertragbar ist und der Sensor eine von der Steuereinheit unabhängige Energieversorgung aufweist, wobei der Sensor innerhalb des Gehäuses des Kompressors angeordnet ist.
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Eine kabellose Übertragung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit ist insbesondere vorteilhaft, da keine Anschlüsse, wie beispielsweise Steckkontakte, am Sensor oder am Steuergerät vorgesehen werden müssen. Dies reduziert einerseits die Kurzschlussanfälligkeit und andererseits die Komplexität des verwendeten Kabelbaumes. Weiterhin können sowohl der Sensor als auch die Steuereinheit einfacher und bauraumsparender gestaltet werden, da kein Bauraum für einen Stecker oder für eine Aufnahme für einen Stecker vorgesehen werden muss.
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Mit einer von der Steuereinheit unabhängigen Energieversorgung des Sensors ist insbesondere eine Energieversorgung gemeint, die nicht über ein Kabel an der Steuereinheit angebunden ist.
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Insbesondere die Anordnung eines kabellosen Sensors im Gehäuse eines Kompressors ist vorteilhaft, da das Gehäuse keine Durchführungen für Anschlusskabel oder Anschlussleitungen aufweisen muss. Insbesondere in den Hochdruckbereichen des Kompressors können solche Durchführungen die Dauerhaltbarkeit des Kompressors verringern. Durchführungen bergen das Risiko Undichtigkeiten zu verursachen, was zu einem Ausfall des Kompressors bzw. des Gesamtsystems führen kann.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor innerhalb eines geschlossenen Kältemittelkreislaufs im Kompressor der Klimaanlage angeordnet ist, wobei der Sensor unmittelbar eine Messgröße eines im Kreislauf strömenden Kältemittels erfasst.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Sensor direkt in eine Strömungsstrecke integriert wird. Vorteilhafterweise ist dies die Strömungsstrecke des durch den Kompressor strömenden Kältemittels. Aufgrund der kabellosen Ausführung des Sensors kann der Sensor direkt in eine solche Strömungsstrecke integriert werden, ohne dass die Wandungen der Strömungsstrecke Öffnungen, Unterbrechungen oder Einschraubstellen zur Kabeldurchführung aufweisen müssen. Hierdurch wird eine zusätzlich Fehlerquelle für Undichtigkeiten ausgeschlossen.
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Durch die mögliche kompakte Gestaltung des Sensors infolge der nicht benötigten Energieversorgungsschnittstelle und der nicht vorhandenen Anbindung eines Kabelbaumes, erzeugt der Sensor auch einen deutlich geringeren Druckverlust in der jeweiligen Strömungsstrecke.
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Vorteilhafterweise erfasst der Sensor dabei direkt Messgrößen des in der Strömungsstrecke strömenden Fluids, welches beispielsweise ein Kältemittel sein kann. Auf diese Weise ist eine genauere Bestimmung der Messgrößen möglich, da nicht erst durch Umrechnungen, Mittelungen und logische Ableitungen auf den zu erfassenden Wert geschlossen werden muss.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die vom Sensor erfasste Messgröße ein Druck und/oder eine Temperatur des durch den Kompressor strömenden Kältemittels ist.
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Zu den besonders relevanten prozesskritischen physikalischen Messgrößen zählen beispielsweise der Kältemittelhochdruck und die Kältemittelheißgastemperatur. Diese beiden Messgrößen werden vorteilhafterweise jeweils an dem Ort gemessen, an welchem die Messgrößen maximal sind. Diese liegen bei Kompressoren in Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen gewöhnlich im Inneren des Gehäuses des Kompressors. Um eine möglichst hohe Prozesssicherheit gewährleisten zu können, ist es daher vorteilhaft, Messgrößen dieser Art direkt im Inneren des Kompressors zu erfassen. Dies ermöglicht gleichzeitig eine schnellere Erfassung der Messgrößen und eine weniger stark durch Fehler behaftete Erfassung.
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Auch kann es zweckmäßig sein, wenn durch den Sensor der Drehwinkel und/oder der Kippwinkel eines im Kompressor angeordneten Schwenkringes und/oder einer im Kompressor angeordneten Taumelscheibe erfassbar ist.
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Die Erfassung des Drehwinkels und/oder des Kippwinkels von einem Schwenkring oder einer Taumelscheibe im Inneren des Kompressors kann besonders vorteilhaft sein, wenn der Kompressor nicht über eine Eigenregelung verfügt. Abhängig von den gemessenen Werten kann so das Fördervolumen des Kompressors geregelt werden. Das Erfassen des Drehwinkels und/oder des Kippwinkels erfolgt dabei vorteilhafterweise im Inneren des Gehäuses des Kompressors.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Messgröße durch RFID und/oder durch WLAN zwischen dem Sensor und der Steuereinheit übertragen wird.
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Ein von einem Datenkabel unabhängiger Übertragungsstandard, wie beispielsweise RFID oder WLAN, ist besonders vorteilhaft, da zur Datenübertragung keine Kabelverbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinheit vorgesehen werden muss.
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RFID ist besonders vorteilhaft, da der Sensor gleichzeitig mit Energie versorgt werden kann und Messgrößen weitergeben kann. Zusätzlich bietet die RFID-Technik auch die Möglichkeit, Signale durch metallische Strukturen, wie etwa das Gehäuse des Kompressors, zu senden. Zur Anwendung von RFID-Lösungen ist im Stand der Technik eine Vielzahl von Lösungen bekannt.
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WLAN ist ein weithin bekannter Standard, für welchen eine Vielzahl von technischen Komponenten am Markt verfügbar ist. Außerdem ist eine Kommunikation zwischen Sensor und Steuereinheit in beide Richtungen möglich. Dies ist bei entsprechender Gestaltung des Sensors auch bei einer Kommunikationslösung basierend auf RFID möglich. Hierzu muss der Sensor sowohl eine Empfangseinheit als auch eine Sendeeinheit aufweisen. Vorteilhafterweise ist der Sensor selbst beim Gebrauch von RFID als Übertragungsstandard als passives Bauteil ausgelegt, welches jeweils auf die Signale der Steuereinheit reagiert.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit durch das Steuergerät einer Klimaanlage gebildet ist.
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Eine Verwendung des Steuergerätes der Klimaanlage zur Ansteuerung und Auswertung der Sensoren ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine besonders kompakte Baueinheit erreicht werden kann. Außerdem müssen keine zusätzlichen Steuereinheiten vorgehalten werden, wodurch das Gesamtsystem insgesamt weniger komplex gestaltet werden kann.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Energieversorgung des Sensors durch eine Batterie und/oder durch Induktion und/oder durch RFID und/oder durch einen thermoelektrischen Effekt und/oder durch eine Energie-Harvesting Methode erreicht wird.
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Eine Batterie kann dabei vorteilhafterweise direkt im oder am Gehäuse des Sensors angeordnet sein. Alternativ kann der Sensor über ein Verfahren wie RFID oder per Induktion von außen mit Energie versorgt werden. Beim RFID-Verfahren wird dem Sensor Energie über magnetische Wechselfelder oder über hochfrequente Radiowellen zugeführt. Alternativ kann der Sensor auch über die Ausnutzung eines thermoelektrischen Effekts, wie beispielsweise dem Peltier-Effekt, mit Energie versorgt werden. Alternativ können drucksensible Elemente, wie Piezo-Aktuatoren, vorgesehen werden, um durch Energie-Harvesting den Sensor mit Energie zu versorgen. Energie-Harvesting beschreibt die Gewinnung verhältnismäßig kleiner Mengen von Energie aus Quellen wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, aus Vibrationen oder aus Luftströmungen.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, dass der Sensor eine Aufnahmevorrichtung aufweist.
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Mit einer Aufnahmevorrichtung ist Insbesondere eine Anschlussstelle gemeint, in welche beispielsweise eine Halterung eingesteckt werden kann, um den Sensor innerhalb des Kompressors zu positionieren. Insbesondere vorteilhaft ist eine Aufnahmevorrichtung, welche ein einfaches Einstecken der Halterung ermöglicht und vorzugsweise eine selbsttätige Sicherung aufweist. Hierzu können beispielsweise miteinander korrespondierende Rastnasen und Aussparungen an der Aufnahmevorrichtung und der Halterung vorgesehen sein.
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Alternativ kann der Sensor beispielsweise einen Teil einer Bajonett-Verbindung aufweisen, während im Gehäuse des Kompressors das jeweilige Gegenstück der Bajonett-Verbindung angeordnet ist. Die Bajonett-Verbindung kann dabei auf einfache Weise während des Montagevorgangs vervollständigt werden, um einen sicheren Sitz des Sensors im Gehäuse des Kompressors zu erreichen.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher Messgrößen vorgesehen ist, wobei die Sensoren eine identische äußere Formgebung und/oder Dimensionierung aufweisen, welche unabhängig von der erfassten Messgröße ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Sensoren, welche jeweils zur Erfassung unterschiedlicher Größen ausgelegt sind, eine gemeinsame Form bzw. Dimensionierung aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoren jeweils identische Gehäuse aufweisen. Dies macht die Positionierung der Sensoren einfacher, da die jeweiligen Aufnahmevorrichtungen im Gehäuse des Kompressors ebenfalls einheitlich ausgebildet sein können. Darüber hinaus senkt es den Stückpreis der einzelnen Sensoren, da das Gehäuse der Sensoren ein Gleichteil sein kann.
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Die Aufgabe der Bereitstellung eines Kompressors wird durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein durch den Kompressor strömendes Kältemittel verdichtbar ist, wobei der Kompressor eine erfindungsgemäße Sensoranordnung aufweist.
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Ein Kompressor mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist besonders vorteilhaft, da eine kabellose Erfassung von einer oder von mehreren Messgrößen innerhalb des Gehäuses des Kompressors möglich ist. Dabei können insbesondere Messgrößen des durch den Kompressor strömenden Kältemittels direkt erfasst werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Kompressors einer Klimaanlage, der in einen Kältemittelkreislauf integriert ist und von einem Kältemittel durchströmt wird, wobei innerhalb des Kompressors ein Sensor angeordnet ist, der kabellos mit einer außerhalb des Kompressors angeordneten Steuereinheit kommunizieren kann.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kompressors 1. Dieser steht mit einer Kältemittelleitung 2 in Fluidkommunikation. Über die Kältemittelleitung 2 kann dem Kompressor 1 ein Kältemittel zu- bzw. abgeführt werden. Das Kältemittel wird dabei im Kompressor 1 komprimiert. Die Komprimierung kann beispielsweise über rotierende Taumelscheiben oder rotierende Schwenkringe im Inneren des Kompressors 1 erreicht werden.
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Die Kältemittelleitung 2 steht weiterhin in Fluidkommunikation mit einem nicht gezeigten Kältemittelkreislauf einer ebenfalls nicht gezeigten Klimaanlage.
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Im Inneren des Kompressors 1 gibt es zumindest einen vom Kältemittel durchströmten Bereich 8. In diesem durchströmten Bereich 8 ist ein Sensor 3 angeordnet. Dieser kann beispielsweise einen Druck oder eine Temperatur des Kältemittels direkt erfassen. Alternativ kann der Sensor 3 derart ausgebildet sein, dass er die Lage einer im Kompressor 1 angeordneten Taumelscheibe oder eines Schwenkringes erfasst. Hierzu kann der Sensor 3 beispielsweise den jeweiligen Drehwinkel oder einen zugehörigen Kippwinkel erfassen.
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Insbesondere ist der Sensor 3 dazu geeignet, den Kältemittelhochdruck an dem Ort zu erfassen, an welchem das Kältemittel den höchsten Druck aufweist. Dieser liegt gewöhnlich im Inneren des Kompressors 1. Alternativ kann der Sensor 3 dazu ausgelegt sein die Kältemittelheißgastemperatur an einem Ort zu erfassen, an dem das Kältemittel die höchste Temperatur aufweist. In einer vorteilhaften Ausführung des Sensors 3 kann sowohl der Kältemittelhochdruck als auch die Kältemittelheißgastemperatur gemessen werden.
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Der Sensor 3 ist zu diesem Zweck innerhalb des Gehäuses 4 des Kompressors 1 angeordnet. Der Sensor 3 ist kabellos und gibt die erfassten Messwerte beispielsweise über ein RFID-Verfahren an eine außerhalb des Kompressors angeordnete Steuereinheit 5 weiter. Alternativ dazu kann der Sensor auch mit einer mit der Steuereinheit verbundenen Sende- und Empfangseinheit (in der 1 nicht dargestellt) kommunizieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinheit in der Einbaulage im Fahrzeug derart weit von dem Sensor entfernt angeordnet ist, dass eine Übertragung durch ein RFID-Verfahren nicht mehr möglich ist.
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Der Sensor 3 tauscht dabei entweder nur in eine Richtung oder in beide Richtungen Daten mit der Steuereinheit 5 aus. Der Datenfluss ist durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 7 dargestellt. Mit dem Symbol mit dem Bezugszeichen 6 ist dargestellt, dass sie Kommunikation zwischen der Steuereinheit 5 und dem Sensor 3 kabellos über ein Funkverfahren realisiert ist.
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Der Sensor 3 kann eine Batterie aufweisen, die ihn mit der nötigen Energie versorgt. Alternativ können auch Piezo-Elemente vorgesehen sein, die den Sensor 3 von einer externen Energiequelle unabhängig machen. Über ein RFID-Verfahren kann der Sensor 3 auch von der Sendeeinheit bzw. von der Steuereinheit 5 kabellos mit Energie versorgt werden.
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Durch die kabellose Ausführung des Sensors 3 muss das Gehäuse 4 nicht mit zusätzlichen Durchführungen oder Öffnungen versehen werden, um die Funktion des Sensors 3 zu gewährleisten. Das Gehäuse 4 kann somit besser gegen das Auftreten von Undichtigkeiten ausgelegt werden, was auch der Dauerhaltbarkeit zuträglich ist.
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In einer alternativen Ausführung des Kompressors kann auch eine Mehrzahl von Sensoren im Gehäuse vorgesehen werden. Durch die unterschiedlichen Sensoren können dann mehrere Messgrößen zeitgleich erfasst werden. Die verwendete Übertragungstechnik muss in diesem Fall an die Mehrzahl der zu übertragenden Messgrößen angepasst werden, so dass entweder eine Priorisierung der einzelnen Messgrößen erfolgt oder eine zeitgleiche Übertragung mehrere Messgrößen erfolgt.
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Der Sensor 3 kann auch derart ausgelegt sein, dass er eine Mehrzahl von unterschiedlichen Messgrößen erfasst. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der zur Verfügung stehende Bauraum keine Mehrzahl von Sensoren innerhalb des Gehäuses 4 erlaubt.
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Der Sensor 3 kann beispielsweise an einer Innenwandung des Gehäuses 4 des Kompressors 1 angeordnet sein. Alternativ kann er auch durch eine Haltevorrichtung im inneren des Gehäuses frei in einen Raumbereich, etwa den mit dem Kältemittel durchströmten Bereich, positioniert werden. Der Sensor 3 weist hierzu bevorzugt eine Aufnahmevorrichtung auf, welche das Verbinden des Sensors 3 mit einer Halterung an der Gehäusewand oder einer Haltevorrichtung dient.
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Das in der 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ist beispielhaft und soll den Erfindungsgedanken verdeutlichen. Insbesondere hinsichtlich der Größe, der Formgebung und der Anordnung der einzelnen Komponenten und insbesondere der Sensoren weist die 1 keinen beschränkenden Charakter auf.
