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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugklimasystem sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugklimasystems.
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Fahrzeugklimasysteme für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren beziehen die zum Erwärmen des Fahrgastraumes benötigte Wärme üblicherweise aus der Abwärme des Verbrennungsmotors. Ist ein Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug nicht vorgesehen oder nicht ständig in Betrieb, wie bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, muss die benötigte Wärme vom Fahrzeugklimasystem selbst erzeugt werden. Hierzu kommen, neben bekannten Heizelementen, auch Wärmepumpen zum Einsatz, da sie ohnehin in Fahrzeugklimasystemen zum Kühlen vorhanden sind.
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Jedoch ist der Betrieb solcher Wärmepumpen bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C problematisch. Damit der Verdampfer der Umgebungsluft bei diesen Temperaturen Wärme entziehen kann, müssen seine Rippen Temperaturen von weit unter 0°C aufweisen. Dies führt jedoch zur Vereisung der Rippen, da die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit an den Rippen gefriert. Eine weitere Energieaufnahme des Verdampfers wird dadurch verhindert.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeugklimasystem und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Systems bereitzustellen, das auch bei Umgebungstemperaturen unter 0°C zuverlässig funktioniert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeugklimasystem, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer Temperiervorrichtung und einer Luftführung. Die Luftführung weist eine Luftzufuhr und einen Luftauslass, wobei Luftzufuhr und/oder Luftauslass verschließbar sind, einen Hauptkanal, der zwischen Luftzufuhr und Luftauslass angeordnet ist, und einen Rückführkanal auf, der das stromabwärtige Ende des Hauptkanals mit dem stromaufwärtigen Ende des Hauptkanals innerhalb der Luftführung strömungstechnisch zu einem Ringkanal verbindet. Die Temperiervorrichtung weist einen primären Kältemittelkreislauf auf, mit dem ein Wärmeabsorber, beispielsweise ein Verdampfer gekoppelt ist, der im Hauptkanal angeordnet ist.
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Dabei wird unter einem Rückführkanal jede Verbindung zwischen verschiedenen Stellen des Hauptkanals verstanden, ohne Rücksicht auf die räumliche Ausdehnung des Rückführkanals. Zum Beispiel kann ein Rückführkanal auch durch eine Klappe realisiert sein, die bei einem gewundenen Hauptkanal in einer gemeinsamen Trennwand der gegenläufigen Abschnitte des Hauptkanals vorgesehen ist. Unter „gekoppelt“ wird dabei auch verstanden, dass der Wärmeabsorber Teil des Kältemittelkreislaufes ist.
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Dabei verläuft die Strömungsrichtung der Luft im Hauptkanal von der Luftzufuhr zum Luftauslass. Die Luftströmung wird von einem Gebläse im Hauptkanal unterstützt oder erzeugt. Die Luftzufuhr ist dabei eine Verbindung der Luftführung mit der Fahrzeugumgebung zur Aufnahme von Frischluft und/oder eine Verbindung mit dem Fahrgastraum für einen Umluftbetrieb.
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Im Kältemittelkreislauf sind zudem ein Kompressor sowie wenigstens ein Kondensator vorgesehen. Der Kältemittelkreislauf arbeitet nach dem bekannten Prinzip. Dabei wird dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufes im Verdampfer Energie zugeführt, sodass es gasförmig wird. Der Verdampfer kann dabei direkt als der Wärmeabsorber im Hauptkanal angeordnet sein und der Luft direkt Wärme entziehen oder aber der Verdampfer ist durch einen weiteren Kühl- /oder Kältemittelkreislauf thermisch mit dem Hauptkanal gekoppelt.
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Im Kompressor wird das Kältemittel dann verdichtet und kann anschließend die zuvor aufgenommene Energie im Kondensator als Wärme abgeben. Dabei nimmt das Kältemittel sowohl im Verdampfer aus der Luft als auch im Kompressor aus der durch den Kompressor verrichteten Arbeit Energie, sprich Wärme, auf.
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Der Begriff „Kondensator“ soll im Rahmen dieser Erfindung auch Gaskühler umfassen, da die Frage, ob ein Kondensator oder ein Gaskühler zu verwenden ist, lediglich vom eingesetzten Kältemittel abhängig ist.
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Durch den Rückführkanal wird, wenn entweder die Luftzufuhr oder der Luftauslass oder beide verschlossen ist bzw. sind, ein geschlossener Kreislauf bzw. Ringkanal aus Hauptkanal und Rückführkanal gebildet, in dem die Luft zirkuliert. In diesem Ringkanal kann nun der Verdampfer mit einer Temperatur unter 0°C betrieben werden, da keine nennenswerte Vereisung am Verdampfer zu erwarten ist. Zwar kann sich etwas Eis am Verdampfer bilden, wenn die Luft in der Luftführung zunächst feucht war, jedoch ist die Menge sehr begrenzt, da aufgrund des geschlossenen Kreislaufs nur diejenige Feuchtigkeit zu Eis werden kann, die zu Beginn in der Luftführung vorhanden war.
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Vorzugsweise weist die Temperiervorrichtung einen Wärmeemitter auf, der im Hauptkanal vorgesehen ist, wodurch die Luft in der Luftführung geheizt werden kann. Der Wärmeemitter ist dabei mit dem Kältemittelkreislauf thermisch verbunden, sodass der Luft in der Luftführung durch den Wärmeabsorber bzw. Verdampfer zwar zunächst Wärme entzogen wird, diese Wärme der Luft aber anschließend vom Wärmeemitter wieder zugeführt wird. Ein positiver Energie- und somit Wärmeeintrag in die Luft ergibt sich dabei dadurch, dass dem Kältemittel durch den Kompressor ebenfalls Energie zugeführt wird. Effektiv wird die Luft in der Luftführung also durch die Arbeit des Kompressors geheizt. Auch hier ist es von Bedeutung, wie viel Energie das Kältemittel am Verdampfer aufnehmen konnte, d.h. wie groß der Temperaturunterschied zwischen Wärmeabsorber bzw. Verdampfer und Luft war, da der Wirkungsgrad des Fahrzeugklimasystems steigt, je wärmer das Kältemittel bzw. Kühlmittel nach Durchlaufen des Wärmeabsorbers bzw. Verdampfers ist.
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Selbstverständlich kann der Wärmeemitter durch ein Ventil vom Kältemittelkreislauf getrennt werden und/oder kann die Luft so geführt werden, dass sie an dem Wärmeemitter vorbeiströmt.
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Beispielsweise ist der Rückführkanal verschließbar ausgebildet, wodurch das Verhältnis von in der Luftführung zirkulierender Luft zur Luft, die die Luftführung durchströmt, eingestellt werden kann.
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Der Kältemittelkreislauf kann einen Hauptkondensator aufweisen, der im Motorraum des Fahrzeugs vorgesehen ist. Der Hauptkondensator ermöglicht es, den Fahrgastraum mittels des Fahrzeugklimasystems zu kühlen.
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In einer Ausführungsvariante weist die Luftführung eine Heizvorrichtung, insbesondere einen PTC-Heizer auf, die im Hauptkanal oder im Rückführkanal angeordnet ist, wodurch der Luft in der Luftführung Wärme zugeführt werden kann. Die Heizvorrichtung ist dabei vorteilhafterweise stromaufwärts des Wärmeabsorbers angeordnet, wodurch der Energieeintrag in das Kältemittel am Verdampfer erhöht werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abschnitt des Hauptkanals in parallele Teilkanäle unterteilt, wobei der Wärmeemitter, der Wärmeabsorber und/oder die Heizvorrichtung in einem der Teilkanäle angeordnet sind. Die Teilkanäle können einzeln, beispielsweise mithilfe von Klappen, verschließbar sein. Die Querschnitte der einzelnen Teilkanäle müssen dabei nicht gleich sein. Auf diese Weise können der Wärmeemitter, der Wärmeabsorber und/oder die Heizvorrichtung in die Luftströmung des Hauptkanals aufgenommen oder davon ausgeschlossen werden.
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Vorzugsweise weist der Hauptkanal mehrere, voneinander getrennte, parallele Teilkanäle auf, wobei der Wärmeemitter in einem anderen Teilabschnitt vorgesehen ist als der Wärmeabsorber, wodurch der Wärmeabsorber unabhängig vom Wärmeemitter in die Luftströmung mit aufgenommen werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen inneren Kondensator auf, der im Hauptkanal angeordnet ist und den Wärmeemitter bildet, sodass gewährleistet ist, dass der Wärmeübertrag vom Kältemittelkreislauf in die Luftströmung ohne Verlust erfolgt. Dabei ist der innere Kondensator stromabwärts des Wärmeabsorbers angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsvariante weist der Kältemittelkreislauf einen dritten Kondensator auf, der mit wenigstens einer Batterie des Fahrzeugs thermisch verbunden ist, sodass der dritte Kondensator Wärme an die Batterie abgeben kann, wobei der dritte Kondensator in Reihe mit dem inneren Kondensator oder parallel zum inneren Kondensator angeordnet ist. Auf diese Weise können die Batterien des Fahrzeugs auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt werden. Selbstverständlich kann auch der dritte Kondensator durch ein Ventil vom Kältemittelkreislauf abgetrennt werden.
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Ist der innere Kondensator in der Temperiervorrichtung stromaufwärts (in Bezug auf die Strömung des Kältemittels) des dritten Kondensators vorgesehen, kann das Kältemittel in dem inneren Kondensator enthitzt werden, sodass das Kältemittel in gesättigtem gasförmigen Zustand oder zweiphasig in den dritten Kondensator eintritt. Die Erwärmung der Batterie erfolgt dann überwiegend durch die Kondensation des Kältemittels, dass bis zum Austritt aus dem Zweiphasengebiet eine annähernd konstante Temperatur hat. Die Batterie wird dadurch homogen erwärmt und Hot-Spots werden vermieden.
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Im Falle, dass der dritte Kondensator parallel zum inneren Kondensator angeordnet ist, kann der dritte Kondensator eine Vorrichtung aufweisen, die eine homogene Wärmeabgabe ermöglicht, ohne dass isolierte heiße Stellen, sog. Hot-Spots, auftreten.
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Die thermische Verbindung zwischen dem dritten Kondensator und der Batterie erfolgt beispielsweise direkt, mittels eines Kühlmittelkreislaufes oder mittels eines Lüftungssystems.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperiervorrichtung einen Nebenkühlkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher auf, der im Hauptkanal angeordnet ist und den Wärmeemitter bildet, wobei der Nebenkühlkreislauf mittels eines flüssigkeitsgekühlten Kondensators mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Der erste Wärmetauscher ist beispielsweise stromaufwärts des Wärmeabsorber positioniert. Auf diese Weise kann der Wärmeemitter unabhängig vom Kältemittelkreislauf angeordnet werden, was eine größere bauliche Flexibilität ermöglicht.
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Beispielsweise weist der Nebenkühlkreislauf einen zweiten Wärmetauscher auf, der mit wenigstens einer Batterie des Fahrzeugs thermisch verbunden ist, sodass der zweite Wärmetauscher Wärme an die Batterie abgeben kann. Dabei sind der erste und der zweite Wärmetauscher zum Beispiel parallel angeordnet.
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In einer Ausführungsvariante weist die Temperiervorrichtung einen Brückenkühlkreislauf mit einem dritten Wärmetauscher und einem flüssigkeitserwärmten Verdampfer auf, wobei der dritte Wärmetauscher den Wärmeabsorber bildet und der flüssigkeitserwärmte Verdampfer im primären Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Kältemittelkreislauf räumlich getrennt von der Luftführung vorgesehen werden, sodass bei Defekten im Verdampfer kein Kältemittel in die Luftführung gelangen kann.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugklimasystems mit den folgenden Schritten gelöst:
- a) kontinuierliches oder regelmäßiges Bestimmen der Temperatur im Hauptkanal, insbesondere mittels eines stromabwärts des Wärmeemitters und/oder Wärmeabsorbers vorgesehenen Temperaturfühlers,
- b) Schließen der Luftzufuhr und des Luftauslasses und Öffnen des Rückführkanals, falls die Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt, und
- c) Inbetriebnehmen des Gebläses und des Wärmeabsorbers, sofern sie nicht schon in Betrieb sind.
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Dadurch, dass die Luftführung bei Temperaturen unterhalb des Schwellwertes, beispielsweise 0°C, als Kreislauf betrieben wird, wird verhindert, dass die Rippen des Verdampfers vereisen.
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Vorzugsweise wird die Luftzufuhr und der Luftauslass teilweise geöffnet, sobald die Temperatur den Schwellwert überschritten hat, wobei eine Steuer- oder Regeleinheit das Öffnen der Luftzufuhr und des Luftauslasses derart regelt, dass die Temperatur auf oder über dem Schwellwert gehalten wird, bis die Luftzufuhr und der Luftauslass vollständig geöffnet sind. Dabei wird die Luftzufuhr bevorzugt zunächst zum Fahrgastraum hin geöffnet. Auf diese Weise kann zunächst die Luft innerhalb der Luftführung erwärmt werden, bevor mit der Erwärmung des Fahrgastraumes begonnen wird. Dies führt zu einem effektiveren Betrieb des Fahrzeugklimasystems, da der Wirkungsgrad des Fahrzeugklimasystems im Heizbetrieb steigt, je größer die Temperatur innerhalb der Luftführung ist. Durch den vom Rückführkanal geschaffenen Kreislauf kann die Luft innerhalb der Luftführung schnell erwärmt werden, wodurch das Fahrzeugklimasystem ebenfalls zügig zu maximaler Leistungsabgabe gebracht wird.
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Beispielsweise wird der Rückführkanal teilweise geschlossen, sobald die Luftzufuhr und der Luftauslass vollständig geöffnet sind, wobei die Steuer- oder Regeleinheit das Schließen des Rückführkanals derart kontrolliert, dass die Temperatur auf oder über dem Schwellwert gehalten wird, bis der Rückführkanal vollständig geschlossen oder zumindest nur noch minimal geöffnet ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Rückführung eines Teils der Luft durch den Rückführkanal den Luftdurchsatz des Fahrzeugklimasystems nur so wenig wie nötig verringert.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist der dritte Kondensator zunächst vom Kältemittelkreislauf oder der zweite Wärmetauscher zunächst vom Nebenkühlkreislauf getrennt, wobei der dritte Kondensator in den Kältemittelkreislauf oder der zweite Wärmetauscher in den Nebenkühlkreislauf eingebunden wird, wenn die Temperatur einen zweiten Schwellwert übersteigt. Der dritte Kondensator bzw. der zweite Wärmetauscher werden durch Öffnen des ihnen zugeordneten Ventils eingebunden.. Auf diese Weise ist eine effiziente Heizung der Batterie möglich.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 stark vereinfacht ein erfindungsgemäßes Fahrzeugklimasystem,
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2 eine schematische Darstellung der Luftführung des Fahrzeugklimasystems aus 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine schematische Darstellung einer Luftführung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugklimasystems,
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4 eine schematische Darstellung einer Luftführung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugklimasystems,
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5 eine schematische Darstellung einer Temperiervorrichtung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugklimasystems,
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6 eine schematische Darstellung einer Temperiervorrichtung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugklimasystems, und
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7 eine schematische Darstellung einer Temperiervorrichtung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugklimasystems.
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In 1 ist ein Fahrzeugklimasystem 10 dargestellt, das eine Temperiervorrichtung 12 und eine Luftführung 14 aufweist. Die Luftführung 14 ist in 1 durch das gestrichelte Rechteck angedeutet und in 2 detaillierter dargestellt.
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Die Temperiervorrichtung 12 weist einen primären Kältemittelkreislauf 16 auf, in dem ein Wärmeabsorber 17, in der ersten Ausführungsform als ein Verdampfer 18, ein Kompressor 20, ein Hauptkondensator 22, ein Wärmeemitter 23 und ein dritter Kondensator 26 angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeemitter 23 ein innerer Kondensator 24.
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Der Verdampfer 18 und der Kompressor 20 sind in Reihe miteinander verbunden, wobei zwischen ihnen ein Vorratsbehälter (nicht gezeigt) vorgesehen sein kann.
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Jeweils parallel zum Verdampfer 18 und Kompressor 20 und auch parallel zueinander sind der Hauptkondensator 22, der innere Kondensator 24 und der dritte Kondensator 26 angeordnet. Sie können durch Ventile 28, 30 bzw. 32 vom Kältemittelkreislauf 16 abgetrennt werden.
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Die Ventile 28, 30 und 32 befinden sich beispielsweise zwischen dem Kompressor 20 und dem Hauptkondensator 22, dem inneren Kondensator 24 bzw. dem dritten Kondensator 26.
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Auf der dem Kompressor 20 abgewandten Seite des Hauptkondensators 22, des inneren Kondensators 24 bzw. des dritten Kondensators 26 münden die parallelen Verbindungen des Hauptkondensators 22, des inneren Kondensators 24 bzw. des dritten Kondensators 26 in einen Sammler und Trockner 34.
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Der Sammler und Trockner 34 ist wiederum über ein Expansionsventil 36 mit dem Verdampfer 18 verbunden. Denkbar ist jedoch auf ein saugseitiger Sammler stromaufwärts des Kompressoreinlasses.
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Eine Steuer- und Regeleinheit (nicht gezeigt) ist mit den Ventilen 28, 30, 32 und dem Expansionsventil 36 verbunden und kontrolliert deren Betriebsstellung. Die Steuer- und Regeleinheit kann in eine übergeordnete Steuereinheit des Fahrzeugs integriert sein.
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Außerdem kann der dritte Kondensator 26 mit einer Vorrichtung (nicht gezeigt) versehen sein, die isolierte heiße Stellen, sog. Hot-Spots, vermeidet. Diese Hot-Spots entstehen dadurch, dass das Kältemittel beim Eintritt in den dritten Kondensator 26 überhitzt ist und deswegen sehr schnell Wärme abgibt. Die Vorrichtung erreicht nun, beispielsweise durch geeignete Leitungsführung innerhalb des dritten Kondensators 26, dass das Kältemittel und somit der dritte Kondensator 26 die Wärme homogen abgeben.
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In 2 ist die Luftführung 14 des Fahrzeugklimasystems 10 schematisch dargestellt, die einen Hauptkanal 38 und einen Rückführkanal 40 aufweist.
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Ein Frischlufteinlass 42 verbindet die Luftführung 14 strömungstechnisch mit der Fahrzeugumgebung 44. Ebenso verbindet ein Umlufteinlass 46 die Luftführung 14 mit dem Fahrgastraum 48. Der Frischlufteinlass 42 und der Umlufteinlass 46 münden an demselben Ende des Hauptkanals 38 in den Hauptkanal 38 und bilden zusammen eine Luftzufuhr 50 der Luftführung 14.
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Sofern in dieser Erfindung davon die Rede ist, dass die Luftzufuhr 50 geöffnet oder geschlossen wird, ist dabei ein Öffnen oder Schließen des Frischlufteinlasses 42 und/oder des Umlufteinlasses 46 gemeint.
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Zudem weist die Luftführung 14 einen Luftauslass 52 auf, der in den Fahrgastraum 48 mündet. Der Luftauslass 52 kann dazu mehrere Verteilerkanäle (nicht gezeigt) aufweisen, die an verschiedenen Stellen in den Fahrgastraum 48 münden.
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Dabei erstreckt sich der Hauptkanal 38 zumindest teilweise zwischen Luftzufuhr 50 und Luftauslass 52.
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Im Hauptkanal 38 sind zudem ein Gebläse 54, der Wärmeabsorber 17, hier also der Verdampfer 18, und der Wärmeemitter 23, hier also der innere Kondensator 24, vorgesehen. Das Gebläse 54 wird ebenfalls von der Steuer- oder Regeleinheit gesteuert.
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Das Gebläse 54 kann einen Luftstrom in der Luftführung 14 erzeugen. Dabei verläuft die Strömungsrichtung R im Hauptkanal 38 von der Luftzufuhr 50 zum Luftauslass 52. Das Gebläse 54 und der Wärmeabsorber 17 bzw. der Verdampfer 18 sind beispielsweise derart angeordnet, dass der Wärmeabsorber 17 bzw. der Verdampfer 18 stromabwärts des Gebläses 54 liegt und vom Gebläse 54 angeblasen wird.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Hauptkanal 38 stromabwärts des Wärmeabsorber 17 bzw. des Verdampfers 18 im Querschnitt geteilt, sodass mehrere, beispielsweise zwei, Teilkanäle 56 gebildet werden. Die Teilkanäle 56 müssen nicht den gleichen Querschnitt aufweisen oder gleich groß sein.
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In einem der Teilkanäle 56 ist der Wärmeemitter 23, hier also der innere Kondensator 24, angeordnet.
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Zudem ist im Hauptkanal 38 wenigstens ein Temperaturfühler (nicht gezeigt) angeordnet. Beispielsweise befindet sich der Temperaturfühler stromabwärts des Wärmeemitters 23 und/oder des Wärmeabsorbers 17 und ist mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden.
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Der Rückführkanal 40 verbindet das stromabwärtige Ende des Hauptkanals 38 mit dem stromaufwärtigen Ende des Hauptkanals 38, schafft also einen parallelen Strömungskanal zum Hauptkanal 38. Der Hauptkanal 38 und der Rückführkanal 40 bilden zusammen einen Ringkanal.
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Der Frischlufteinlass 42, der Umlufteinlass 46, der Luftauslass 52, die Teilkanäle 56 und der Rückführkanal 40 können einzeln geöffnet oder geschlossen werden, sodass ihr jeweiliger Strömungsquerschnitt eingestellt werden kann. In der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Einstellung des Strömungsquerschnittes mithilfe von Klappen, deren Stellung von der Steuer- und Regeleinheit bestimmt werden kann.
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Die Steuer- und Regeleinheit vergleicht regelmäßig oder kontinuierlich die vom Temperaturfühler gemessene Temperatur mit einem ersten vorbestimmten Schwellwert. Dieser Vergleich findet insbesondere beim Einschalten des Fahrzeugklimasystems 10 statt.
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Der Schwellwert liegt beispielsweise bei 0°C. Denkbar ist jedoch auch, dass der Schwellwert 5°C beträgt, um die Effizienz der Klimaanlage auch schon vor dem Gefrierpunkt zu steigern.
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Liegt die Temperatur unterhalb des Schwellwertes, so schließt die Steuer- oder Regeleinheit den Luftauslass 52 und/oder die Luftzufuhr 50, also den Frischlufteinlass 42 sowie den Umlufteinlass 46, vollständig. Gleichzeitig öffnet die Steuer- oder Regeleinheit den Rückführkanal 40 vollständig und nimmt das Gebläse 54 und den Kompressor 20 in Betrieb, falls diese noch nicht in Betrieb sind. Weiterhin stellt sie die Klappen der Teilkanäle 56 derart ein, dass die Luft im Hauptkanal 38 den Wärmeemitter 23 passieren muss. Außerdem verschließt die Steuer- oder Regeleinheit die Ventile 28 und 32, sodass lediglich der Wärmeemitter 23, in der in 1 gezeigten Ausführungsform also der innere Kondensator 24, mit dem Kältemittelkreislauf 16 verbunden ist.
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Der Hauptkanal 38 und der Rückführkanal 40 bilden nun einen gegenüber der Fahrzeugumgebung 44 und dem Fahrgastraum 48 abgeschlossenen Ringkanal, in dem die Luft zirkuliert.
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Vom Gebläse 54 ausgehend passiert die Luft zunächst den Wärmeabsorber 17 bzw. den Verdampfer 18 und wird dort herunter gekühlt. Der Wärmübertrag am Verdampfer 18 kann dabei auch so groß sein, dass die Temperatur am Verdampfer 18 unter 0°C fällt. Die in der Luft vorhandene Feuchtigkeit gefriert dann am Verdampfer 18 und bildet Eis. Jedoch ist die Menge an Eis, die sich maximal am Verdampfer 18 bilden kann, dadurch limitiert, dass das Luftvolumen und somit auch die Menge an Feuchtigkeit in der Luftführung 14 begrenzt ist.
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Auf Seiten der Temperiervorrichtung 12 nimmt das Kühlmittel im Wärmeabsorber 17 bzw. das Kältemittel im Verdampfer 18 Wärme auf und strömt im letzteren Fall weiter zum Kompressor 20. Dort wird das Kältemittel verdichtet, wodurch dem Kältemittel weiter Energie zugeführt wird. Das komprimierte Kältemittel strömt dann zum Wärmeemitter 23, hier zum inneren Kondensator 24, und gibt dort sowohl die am Verdampfer als auch am Kompressor aufgenommene Energie als Wärme an die Luft ab.
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Dadurch erwärmt sich die Luft am Wärmeemitter 23 stärker als sie am Verdampfer abgekühlt wurde. Anders ausgedrückt ist die Luft, nachdem sie den Ringkanal bestehend aus Hauptkanal 38 und Rückführkanal 40 durchströmt hat, wärmer als zuvor.
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Die Luft strömt daraufhin durch den Rückführkanal 40 zurück zum stromaufwärtigen Einlass des Hauptkanals 38.
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Anschließend durchläuft die Luft erneut den Hauptkanal 38, also Wärmeabsorber 17 und Wärmeemitter 23, und wird wieder ein wenig erwärmt. Dadurch, dass sich die Luft mit jedem Umlauf weiter erwärmt, wird die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Kältemittel am Wärmeabsorber 17 größer, was zu besseren Wirkungsgraden des gesamten Kältemittelkreislaufes führt. Auf diese Weise wird der optimale Wirkungsgrad des Fahrzeugklimasystems 10 schnell erreicht, da das Luftvolumen in der Luftführung 14 sehr klein ist. Insbesondere im Vergleich mit üblichen Fahrzeugklimasystemen, die mit dem gesamten Luftvolumen des Fahrgastraumes 48 arbeiten, stellt dies eine deutliche Effizienzsteigerung und Beschleunigung der Erwärmung dar.
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Ist die Temperatur in der Luftführung 14 soweit angestiegen, dass der Schwellwert erreicht ist, öffnet die Steuer- oder Regeleinheit die Luftzufuhr 50, beispielsweise den Umlufteinlass 46, und den Luftauslass 52 kontrolliert, um den Fahrgastraum 48 zu erwärmen.
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Der Strömungsquerschnitt der Luftzufuhr 50 und des Luftauslasses 52 werden dabei immer nur soweit vergrößert, dass die Temperatur in der Luftführung 14 nicht wieder unter den Schwellwert fällt.
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Sind sowohl die Luftzufuhr 50 als auch der Luftauslass 52 vollständig geöffnet, beginnt die Steuer- oder Regeleinheit den Rückführkanal 40 zu schließen. Auch hierbei wird der Strömungsquerschnitt des Rückführkanals 40 immer nur soweit verringert, dass die Temperatur nicht unter den Schwellwert fällt. Ist der Rückführkanal 40 vollständig verschlossen geht das Fahrzeugklimasystem in den von üblichen Klimasystemen bekannten Betriebsmodus über. Zudem kann der Teilkanal 56, in dem der Wärmeemitter 23 angeordnet ist, verschlossen werden.
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In den 3 bis 6 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Diese entsprechen im wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 1 und 2. Deswegen werden gleiche und funktionsgleiche Teil nachfolgend mit denselben Bezugszahlen versehen, und es wird nur auf die Unterschiede eingegangen.
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In 3 ist eine Luftführung 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die dazugehörige Temperiervorrichtung 12 entspricht der der 1.
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Der Hauptkanal 38 weist in dieser Ausführungsform nun entlang der Strömungsrichtung mehrere Abschnitte auf, in denen Teilkanäle 56.1, 56.2 ausgebildet sind. Der Wärmeabsorber 17 bzw. der Verdampfer 18 ist nun im Teilkanal 56.1 angeordnet, wobei der Wärmeemitter im Teilkanal 56.2 eines anderen Abschnittes angeordnet ist. Auch diese Teilkanäle 56.1, 56.2 können mithilfe von Klappen durch die Steuer- oder Regeleinheit verschlossen werden.
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Außerdem ist im Hauptkanal 38 eine Heizvorrichtung 60 vorgesehen, die stromaufwärts des Wärmeabsorbers 17 bzw. des Verdampfers 18 angeordnet ist. Auch die Heizvorrichtung 60 kann im Teilkanal 56.1 vorgesehen ein und ist beispielsweise ein PTC-Heizer.
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In 4 ist die Luftführung 14 einer dritten Ausführungsform des Fahrzeugklimasystems 10 dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht der Ausführungsform nach 3, wobei die Heizvorrichtung 60 hier im Rückführkanal 40 angeordnet ist.
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In 5 ist eine Temperiervorrichtung 12 einer vierten Ausführungsform des Fahrzeugklimasystems 10 dargestellt.
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In Unterschied zur Temperiervorrichtung gemäß 1 sind der innere Kondensator 24 und der dritte Kondensator 26 in Reihe geschaltet. Der dritte Kondensator 26 ist dabei zwischen dem inneren Kondensator 24 und dem Sammler und Trockner 34 bzw. im Falle einer saugseitigen Sammlers stromabwärts des Wärmeemitters 23 oder inneren Kondensators 24 und stromaufwärts der Expansionsvorrichtung 36 vorgesehen.
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Das Ventil 32 des dritten Kondensators 26 ist nun zwischen dem inneren Kondensator 24 und dem dritten Kondensator 26 angeordnet und als Drei-Wege-Ventil ausgeführt. Dabei ist an das Ventil 32 auch ein Bypass 62 angeschlossen, der den dritten Kondensator 26 überbrückt und somit den Betrieb des inneren Kondensators 24 ohne gleichzeitige Verwendung des dritten Kondensators 26 ermöglicht.
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Dadurch, dass der dritte Kondensator 26 vom Kompressor 20 aus gesehen nun stromabwärts des inneren Kondensators 24 liegt, ist es unwahrscheinlich, dass im dritten Kondensator 26 Hot-Spots aufgrund des überhitzen Kältemittels auftreten, da das Kältemittel bereits im inneren Kondensator 24 Wärme abgegeben hat und enthitzt wurde. Auf eine Vorrichtung zur Vermeidung von Hot-Spots kann in dieser Ausführungsform verzichtet werden.
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Die Luftführung 14 kann in dieser Ausführungsform gemäß der 2, 3 oder 4 ausgestaltet sein.
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Neben dem zur ersten Ausführungsform beschrieben Verfahren zur Steuerung des Fahrzeugklimasystems 10, eignet sich diese vierte Ausführungsform besonders zum Heizen der Batterie.
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Hierzu wird ein zweiter vorbestimmter Schwellwert der Temperatur herangezogen, der vorzugsweise niedriger als der erste Schwellwert gewählt ist.
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Wenn es jedoch gewünscht ist, dass erst der Fahrgastraum 48 erwärmt wird, kann der zweiter Schwellwert auch oberhalb des ersten Schwellwertes gewählt werden.
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Wie im oben beschriebenen Verfahren ist die Luftführung 14 zunächst, wenn die Temperatur unterhalb des zweiten Schwellwertes liegt, als Ringkanal eingestellt, sodass die Luft nur innerhalb der Luftführung 14 zirkuliert. Auch ist das Ventil 32 so eingestellt, dass das Kältemittel durch den Bypass 62 strömt.
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Wenn die Temperatur der Luft in der Luftführung 14 nun soweit erwärmt wurde, dass der zweite Schwellwert erreicht ist, wird das Ventil 32 so umgestellt, dass das Kältemittel durch den dritten Kondensator 26 strömt und somit die Batterie heizt.
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Dabei wird die Temperatur auf dem zweiten Schwellwert gehalten, beispielsweise durch Steuerung der Geschwindigkeit des Gebläses 54. Auf diese Weise wird somit der vorgesehene Wirkungsgrad des Fahrzeugklimasystems 10 beibehalten, während die Batterie geheizt wird.
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Das Kältemittel gibt im inneren Kondensator 24 also genauso viel Wärme an die Luft ab, wie der Luft zuvor am Wärmeabsorber 17 bzw. Verdampfer 18 entzogen wurde. Das Kältemittel ist zwischen dem inneren Kondensator 24 und den dritten Kondensator 26 also nur noch um den Energiebetrag erwärmt, der vom Kompressor 20 aufgebracht wurde.
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Im dritten Kondensator 26 kondensiert das Kältemittel bis zur Sättigung bei konstanter Temperatur, um eine homogene Wärmeabgabe an die Batterie zu gewährleisten. Die an die Batterie abgegebene Wärme entspricht somit dem Energieeintrag des Kompressors 20.
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Falls eine Heizvorrichtung 60 vorgesehen ist, entspricht die an die Batterie abgegebene Wärme dem Energieeintrag des Kompressors 20 plus dem Energieeintrag der Heizvorrichtung 60.
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In 6 ist eine Temperiervorrichtung 12 gemäß einer fünften Ausführungsform des Fahrzeugklimasystems 10 gezeigt.
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Die Temperiervorrichtung 12 gemäß der fünften Ausführungsform weist einen Nebenkühlkreislauf 64 auf, in dem der Wärmeemitter 23, in Form eines ersten Wärmetauschers 66, und ein zweiter Wärmetauscher 68 vorgesehen sind. Der Nebenkühlkreislauf 64 ist in 6 durch die strichpunktierten Linien symbolisiert.
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Mittels einer Pumpe 69 wird das Kühlmittel des Nebenkühlkreislaufes 64 durch die Wärmetauscher 74, 66 gepumpt.
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Der erste Wärmetauscher 66 und der zweite Wärmetauscher 68 sind parallel zueinander im Nebenkühlkreislauf 64 angeordnet und können durch Ventile 70 bzw. 72 vom Nebenkühlkreislauf 64 getrennt werden.
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Die Funktion der Ventile 70 und 72 entspricht somit der Funktion der Ventile 30 bzw. 32.
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Der Nebenkühlkreislauf 64 ist mittels eines flüssigkeitsgekühlten Kondensators 74 mit dem primären Kältemittelkreislauf 16 direkt thermisch gekoppelt, wobei der flüssigkeitsgekühlte Kondensator 74 sowohl im Nebenkühlkreislauf 64 als auch im primären Kältemittelkreislauf 16 angeordnet ist.
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In dieser fünften Ausführungsform entspricht der erste Wärmetauscher 66 in seiner Funktion dem inneren Kondensator 24 der vorhergehenden Ausführungsformen, und der zweite Wärmetauscher 68 entspricht in seiner Funktion dem dritten Kondensator 26 der vorhergehenden Ausführungsformen.
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Entsprechend weist der Kältemittelkreislauf 16 dieser fünften Ausführungsform weder einen inneren Kondensator 24 noch einen dritten Kondensator 26 auf.
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Die Luftführung 14 dagegen kann gemäß 2, 3 oder 4 ausgebildet sein, wobei anstelle des inneren Kondensator 24 und des dritten Kondensators 26 der erste Wärmetauscher 66 bzw. der zweite Wärmetauscher 68 zum Einsatz kommen.
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Das Fahrzeugklimasystem 10 dieser Ausführungsform eignet sich, ebenso wie alle anderen Ausführungsformen, für die beiden beschriebenen Verfahren zur Heizung des Fahrgastraumes oder der Batterie.
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In 7 ist eine Temperiervorrichtung 12 gemäß einer sechsten Ausführungsform des Fahrzeugklimasystems 10 gezeigt.
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Die Temperiervorrichtung 12 gemäß der sechsten Ausführungsform weist einen Brückenkühlkreislauf 76 auf, in dem der Wärmeabsorber 17 in Form eines dritten Wärmetauschers 78 vorgesehen ist. Der Brückenkühlkreislauf 76 ist in 7 durch die strichpunktierten Linien symbolisiert.
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Der dritte Wärmetauscher 78 ist also im Hauptkanal 38 angeordnet.
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Mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) wird das Kühlmittel des Brückenkühlkreislaufes 76 durch den dritten Wärmetauscher 78 gepumpt.
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Der Brückenkühlkreislauf 76 ist mittels eines flüssigkeitserwärmten Verdampfers 80 mit dem primären Kältemittelkreislauf 16 direkt thermisch gekoppelt, wobei der flüssigkeitserwärmte Verdampfer 80 sowohl im Brückenkühlkreislauf 76 als auch im primären Kältemittelkreislauf 16 angeordnet ist. Beim Durchlaufen des flüssigkeitserwärmten Verdampfers 80 gibt das Kühlmittel des Brückenkühlkreislaufs 76 Wärme an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 16 ab.
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In dieser sechsten Ausführungsform entspricht der dritte Wärmetauscher 78 in seiner Funktion dem Wärmeabsorber 17, also dem Verdampfer 18 der vorhergehenden Ausführungsformen.
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Entsprechend weist der Kältemittelkreislauf 16 dieser sechsten Ausführungsform keinen Verdampfer 18 auf, der im Hauptkanal 38 angeordnet ist.
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Die Luftführung 14 dagegen kann gemäß 2, 3 oder 4 ausgebildet sein, wobei anstelle des Verdampfers 18 der dritte Wärmetauscher 78 zum Einsatz kommt.
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Das Fahrzeugklimasystem 10 dieser Ausführungsform eignet sich, ebenso wie alle anderen Ausführungsformen, für die beiden beschriebenen Verfahren zur Heizung des Fahrgastraumes und/oder der Batterie.
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Selbstverständlich sind die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombinierbar. Insbesondere lassen sich die verschiedenen gezeigten Temperiervorrichtungen 12 mit jeder der Luftführungen 14 verwenden.
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Auch ist eine Ausführungsform denkbar, in der sowohl ein Nebenkühlkreislauf 64 als auch ein Brückenkühlkreislauf 76 vorgesehen sind.
