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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs sowie einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 6 und 11. Ferner betrifft die Erfindung einen inneren Wärmeübertrager zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.
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Aus der
DE 10 2013 105 747 A1 ist ein Kältemittelkreislauf für ein Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf kann sowohl als Kälteanlage als auch in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden, wobei im Wärmepumpenmodus als Wärmequellen die Umgebungsluft mittels eines als Verdampfer geschalteten Kondensators des Kältemittelkreislaufs oder das die Brennkraftmaschine des Hybridfahrzeugs und das die elektrische Antriebsmaschine durchströmende Medium des Kühlmittelkreises, aufgenommen mittels eines als Verdampfer arbeitenden Chillers, verwendet werden. Im Wärmepumpenmodus wird das Kältemittel nach dem Durchströmen eines die Wärmeenergie der Brennkraftmaschine oder der Umgebungsluft aufnehmenden Wärmetauschers über eine Bypass-Leitung an einem Verdampfer und einem inneren Wärmeübertrager vorbei zu einem Verdichter des Kältemittelkreislaufs geleitet, wobei der innere Wärmeübertrager lediglich einseitig durchströmt und dabei keine Wärme übertragen wird, der innere Wärmeübertrager bleibt somit inaktiv. Wird im Wärmepumpenmodus die Brennkraftmaschine als Wärmequelle verwendet, wird der aus der Umgebungsluft Wärmeenergie aufnehmende Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs mittels einer Bypass-Leitung überbrückt, so dass keine Wärmeenergie aus der Umgebungsluft aufgenommen werden kann.
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Ferner beschreibt die
DE 101 58 104 A1 einen Kältemittelkreislauf, bei welchem ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher in Reihe zu einem Gaskühler zwischen demselben und einem Kältemittelverdichter schaltbar ist, so dass bspw. bei einem Kaltstart Wärmeenergie des Kälteprozesses auf den Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauschers zur Erwärmung des Motors übertragen werden kann. Umgekehrt kann dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher in einem Wärmepumpenmodus zur Kühlung des Kühlmittels und damit des Motors eingesetzt werden.
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Bei solchen Kältemittelkreisläufen mit oder ohne Wärmepumpenfunktion werden innere Wärmeübertrager als leistungssteigernde und effizienzsteigernde Maßnahmen eingesetzt, mit welchen Wärmeenergie von der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs auf dessen Niederdruckseite übertragen wird und dadurch die Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in ein Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs gesenkt und gleichzeitig die Temperatur vor Eintritt in den Verdichter angehoben wird. Ursprünglich wurde deren Einsatz nur für R744-Kältemittel vorgesehen, jedoch werden zunehmend auch Kältemittelkreisläufe mit chemischen Kältemitteln, wie R134a, R 1234yf usw. mit solchen inneren Wärmeübertrager aufgebaut.
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Im Zusammenhang mit dem Einsatz eines inneren Wärmeübertragers kann eine problematische Temperaturerhöhung auf der Niederdruckseite vor dem Kältemittelverdichter auftreten, wobei insbesondere im Hochlastbetrieb dieser zusätzliche Wärmeeintrag zu kritischen Betriebstemperaturen des Kältemittelverdichters, insbesondere zu Heißgasproblemen führen kann. Eine solche durch den inneren Wärmeübertrager bedingte Temperaturerhöhung kann auch in einem Wärmepumpenmodus eines Kältemittelkreislaufs auftreten, da zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite in den Kältemitteltemperaturen ebenso deutliche Temperaturunterschiede und damit höhere Temperaturgradienten auftreten können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs anzugeben, mit welchem Funktionseinschränkungen des Kältemittelkreislaufs aufgrund zu hoher Eintrittstemperaturen am Eingang und damit auch resultierend am Ausgang eines Kältemittelverdichters des Kältemittelkreislaufs vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen. Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung, einen inneren Wärmeübertrager zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs mit
- - wenigstens einem Kältemittelverdichter,
- - einem Kondensator oder Gaskühler,
- - wenigstens einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan und
- - einem inneren Wärmeübertrager mit einem Hochdruckzweig und einem Niederdruckzweig zum thermischen Koppeln eines zwischen dem Kondensator oder Gaskühler und dem Expansionsorgan angeordneten ersten Kältemittelkreislaufabschnittes mit einem zwischen dem wenigstens einen Verdampfer und dem Kältemittelverdichter angeordneten zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- - bei Erreichen einer Temperaturschwelle der Kältemitteltemperatur am Auslass oder am Einlass des Kältemittelverdichters der Kältemittel-Massenstrom auf der Einlassseite des Hochdruckzweiges oder des Niederdruckzweiges zumindest teilweise über eine mit einer Bypass-Leitung verbundene und auf der Eingangsseite oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges angeordnete Abzweigung auf die Auslassseite des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges abgeführt wird.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Austauschgrad von Wärme von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite an dem inneren Wärmeübertrager bedarfsgerecht eingestellt werden, da der Austauschgrad von der Menge des über die Bypass-Leitung abgeführten Kältemittel-Massenstroms steuerbar ist, nämlich in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Auslass oder am Einlass des Kältemittelverdichters. Damit wird frühzeitig eine Heißgasabregelung vermieden und führt gleichzeitig zu einer Leistungssteigerung, insbesondere auch in einem Wärmepumpenmodus des Kältemittelkreislaufs. Mit einem solchen steuerbaren Austauschgrad wird der Nachteil von inneren Wärmeübertragern mit fester Länge beseitigt, deren Austauschgrad und Leistungsfähigkeit durch diese vorgegebene Länge unveränderlich vorgegeben sind.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Bypass-Leitung entweder auf der Niederdruckseite oder auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers vorzusehen. Jedoch ist es aufgrund der geringeren Dichte des Kältemittels vorteilhaft die Bypass-Leitung auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs vorzusehen, um die Masse des in Totvolumina eingelagerten Kältemittels zu reduzieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung mittels eines in der Bypass-Leitung angeordneten verstellbaren Steuerorgans, vorzugsweise mit einem Einzelventil gesteuert wird. Ist dabei weiterbildungsgemäß die Abzweigung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges angeordnet, bilden sich zwei Teilmassenströme des Kältemittels aus, nämlich ein über die Bypass-Leitung abgeführter Teilmassenstrom und ein über den nach der Abzweigung verbleibenden Teilzweig des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges des inneren Wärmeübertragers weiterströmender Teilmassenstrom. Diese Teilmassenströme stellen sich gemäß den herrschenden Druckverlusten ein.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auch der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch den an die Abzweigung sich anschließender Teilzweig des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges mittels eines verstellbaren Steuerorgans gesteuert. Somit entstehen zwei schaltbare Streckenabschnitte, zum einen die Bypass-Leitung und zum anderen der an die Abzweigung sich anschließende Teilzweig des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges des inneren Wärmeübertragers. Nach der Abzweigung stellt der innere Wärmeübertrager damit einen Teilabschnitt dar. Hierbei kann die Abzweigung an beliebiger festzulegender Stelle über die gesamte Länge des inneren Wärmeübertragers, also zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges realisiert werden. Mit einer solchen Abzweigung entstehen zwei in Serie geschalteter Wärmeübertrager, wobei der sich an die Abzweigung anschließende (Teil-) Wärmeübertrager absperrbar ist.
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Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
- - die Abzweigung am Eingang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges angeordnet, und
- - der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch den Niederdruckzweig oder den Hochdruckzweig sowie durch die Bypass-Leitung jeweils vorzugsweise stufenlos mittels eines oder zwei verstellbaren Steuerorganen gesteuert.
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Hierbei erfolgt die Steuerung der Teilmassenströme entweder mittels zwei stufenlos verstellbaren Steuerorganen, wie bspw. Ventilen, die gegenläufig angesteuert werden, d. h. während ein Steuerorgan gesperrt wird, wird das andere Steuerorgan geöffnet. Alternativ kann auch ein Mehrwegeventil in Ausgestaltung als Drehschieberventil oder ein sonstiges geeignetes Steuerorgan eingesetzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
- - die Abzweigung am Eingang des Niederdruckzweiges angeordnet wird,
- - der über die Abzweigung abgezweigte Kältemittel-Massenstrom über die Bypass-Leitung einem Zufuhranschluss zugeführt wird, wobei der Zufuhranschluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges angeordnet ist, und
- - der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung mittels eines oder zwei verstellbaren Steuerorganen gesteuert wird.
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Bei dieser Ausführung wird bereits auf der Einlassseite des Niederdruckzweiges ein Kältemittel-Massenstrom abgezweigt und mittels der Bypass-Leitung über den Zufuhranschluss dem an den Zufuhranschluss stromabwärts sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges zugeführt, wo die beiden Kältemittelströme aufeinandertreffen und sich mischen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
- - die Bypass-Leitung mit der Einlassseite des Hochdruckzweiges des inneren Wärmeübertragers verbunden wird,
- - in der Bypass-Leitung ein weiterer innerer Wärmeübertrager angeordnet wird, und
- - der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch die Hochdruckzweige des einen inneren Wärmeübertragers und des weiteren inneren Wärmeübertragers mittels eines in der Abzweigung angeordneten verstellbaren Steuerorgans oder mit jeweils einem zwischen der Abzweigung und einem inneren Wärmeübertrager angeordneten und verstellbaren Steuerorgan gesteuert wird.
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Hierbei sind die beiden inneren Wärmeübertrager mit unterschiedlichen oder auch gleichen Längen ausgestattet, wodurch unterschiedliche Wärmeaustauschgrade entstehen. Der weitere innere Wärmeübertrager kann zu- oder abgeschaltet oder der Kältemittel-Massenstrom in zwei Teilmassenströme über beide Wärmeübertrager aufgeteilt werden.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann zusätzlich saugseitig mindestens ein Absperrventil eingesetzt werden, wodurch die inneren Wärmeübertrager so verschaltet werden können, dass zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs keine Wärmeübertragung ermöglicht wird.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Patentanspruches 8, 11, 12 oder 13
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Ein solcher Kältemittelkreislauf mit
- - wenigstens einem Kältemittelverdichter,
- - einem Kondensator oder Gaskühler,
- - wenigstens einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan und
- - einem inneren Wärmeübertrager mit einem Hochdruckzweig und einem Niederdruckzweig zum thermischen Koppeln eines zwischen dem Kondensator oder Gaskühler und dem Expansionsorgan angeordneten ersten Kältemittelkreislaufabschnittes mit einem zwischen dem wenigstens einen Verdampfer und dem Kältemittelverdichter angeordneten zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt,
zeichnet sich gemäß der erstgenannten Lösung dadurch aus, dass
- - auf der Einlassseite oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges eine Abzweigung angeordnet ist,
- - eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, die die Abzweigung mit der Auslassseite des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges verbindet, und
- - wenigstens ein verstellbares Steuerorgan zum Steuern des Durchflusses des Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung vorgesehen ist.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Kältemittelkreislauf weist die gleichen Vorteile auf wie das zugehörige Verfahren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs sieht vor, dass die Abzweigung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges ist und das als verstellbare Ventil ausgebildete Steuerorgan in der Bypass-Leitung angeordnet ist. Vorzugsweise ist bei einem solchen Kältemittelkreislauf ein weiteres verstellbares Ventil als Steuerorgan in dem Niederdruckzweig oder in dem Hochdruckzweig derart angeordnet, dass der von der Abzweigung stromabwärts strömende Kältemittel-Massenstrom steuerbar ist.
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Die zweitgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - die Abzweigung auf der Einlassseite des Niederdruckzweiges angeordnet ist,
- - ein Zufuhranschluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges angeordnet ist, wobei die Abzweigung über eine Bypass-Leitung mit dem Zufuhranschluss verbunden ist, und
- - zur Steuerung des Durchflusses des Kältemittel-Massenstrom durch die Bypass-Leitung in derselben ein verstellbares Steuerorgan angeordnet ist.
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Dieser erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist ebenso die Vorteile des zugehörigen Verfahrens auf.
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Vorzugsweise lässt sich auch im einlassseitigen Teilzweig, welcher sich vom Eingang bis zum Zufuhranschluss des Niederdruckzweiges erstreckt oder im Zulauf des Teilzweiges im Anschluss an die Abzweigstelle, ein verstellbares Steuerorgan anordnen, mit welchem eine Zwangsdeaktivierung der Wärmeübertragungsfunktion zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs ermöglicht wird.
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Die drittgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - die Abzweigung auf der Einlassseite des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges angeordnet ist, und
- - zur Steuerung des Durchflusses des Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung und durch den Niederdruckzweig oder den Hochdruckzweig entweder ein in der Abzweigung angeordnetes als Mehrwegeventil ausgebildetes verstellbares Steuerorgan oder zwischen der Abzweigung und der Bypass-Leitung einerseits und dem Niederdruckzweig oder den Hochdruckzweig andererseits jeweils ein, vorzugsweise stufenlos verstellbares Ventil ausgebildetes verstellbares Steuerorgan angeordnet ist.
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Auch dieser erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist die Vorteile des zugehörigen Verfahrens auf.
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Die viertgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - auf der Einlassseite des Hochdruckzweiges eine Abzweigung angeordnet ist,
- - eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, die die Abzweigung mit der Auslassseite des Hochdruckzweiges verbindet,
- - in der Bypass-Leitung ein weiterer innerer Wärmeübertrager angeordnet ist, und
- - der Durchfluss des Kältemittel-Massenstroms durch die Hochdruckzweige des einen inneren Wärmeübertragers und des weiteren inneren Wärmeübertragers mittels eines in der Abzweigung als Mehrwegeventil ausgebildeten Steuerorgans oder mit jeweils einem zwischen der Abzweigung und einem inneren Wärmeübertrager angeordneten und als verstellbares Ventil ausgebildeten Steuerorgan steuerbar ist.
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Auch dieser erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist die Vorteile des zugehörigen Verfahrens auf.
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Wird mindestens ein zusätzliches niederdruckseitig angeordnetes schaltbares Ventil an Eingang oder Ausgang von mindestens einem der beiden inneren Wärmeübertrager eingesetzt, kann eine interne Wärmeübertragung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs vollständig verhindert werden. In diesem Fall kann der Kältemittelfluss so eingestellt werden, dass einer der beiden inneren Wärmeübertrager niederdruckseitig und der weitere innere Wärmeübertrager hochdruckseitig durchströmt wird.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung dieses erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs ist der eine innere Wärmeübertrager und der weitere innere Wärmeübertrager mit unterschiedlichen Längen ausgebildet ist.
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Die drittgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen inneren Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 und 16.
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Dieser innere Wärmeübertrager zeichnet sich dadurch aus, dass
- - der innere Wärmeübertrager einen Niederdruckzweig und einen Hochdruckzweig aufweist,
- - eine Abzweigung am Eingang oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges angeordnet ist, und
- - die Abzweigung mittels einer Bypass-Leitung mit dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges verbunden ist.
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Bei diesem inneren Wärmeübertrager ist vorzugsweise in der Bypass-Leitung ein verstellbares Ventil als Steuerorgan angeordnet ist. Liegt die Abzweigung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges oder des Hochdruckzweiges ist ein weiteres verstellbares Ventil als Steuerorgan weiterbildungsgemäß in dem Niederdruckzweig oder in dem Hochdruckzweig derart angeordnet, dass der von der Abzweigung stromabwärts strömende Kältemittel-Massenstrom steuerbar ist.
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Die alternative zweitgenannte erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass
- - der innere Wärmeübertrager einen Niederdruckzweig und einen Hochdruckzweig aufweist,
- - eine Abzweigung am Eingang des Niederdruckzweiges angeordnet ist,
- - ein Zufuhranschluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Niederdruckzweiges angeordnet ist, und
- - die Abzweigung mittels einer Bypass-Leitung mit dem Zufuhranschluss verbunden ist.
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Bei diesem erfindungsgemäßen inneren Wärmeübertrager wird bereits auf der Einlassseite des Niederdruckzweiges ein Kältemittel-Massenstrom abgezweigt und mittels der Bypass-Leitung über den Zufuhranschluss dem an den Zufuhranschluss stromabwärts sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges zugeführt, wo die beiden Kältemittelströme aufeinandertreffen und sich mischen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs für die Ausführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung eines Details des Kältemittelkreislaufs nach 1 in einer alternativen Ausführung,
- 3 eine schematische Darstellung eines Details des Kältemittelkreislaufs nach 1 in einer weiteren alternativen Ausführung,
- 4 eine schematische Darstellung eines Details des Kältemittelkreislaufs nach 1 in einer weiteren alternativen Ausführung,
- 5 eine schematische Darstellung eines Details des Kältemittelkreislaufs nach 1 in einer weiteren alternativen Ausführung,
- 6 eine schematische Darstellung eines Details des Kältemittelkreislaufs nach 1 in einer weiteren alternativen Ausführung, und
- 7 eine schematische Darstellung eines alternativen Kältemittelkreislaufs für die Ausführung eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 einer Klimaanlage eines Fahrzeugs umfasst einen Kältemittelverdichter 1, einen Kältemittel-Kondensator 2 oder Gaskühler 2, einen Verdampfer 3 mit zugehörigem als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 3.1 einem inneren Wärmeübertrager 4 und einem Niederdruck-Akkumulator 6 und einem Chiller 7 mit zugehörigem als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 7.1. Mit dem Pfeil S wird die Strömungsrichtung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 10 angegeben.
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Der Chiller 7 ist als Kühlmittel-Kältemittel Wärmeübertrager ausgebildet, wobei der Kühlmittelkreislauf 7.0 mit einer Wärmequelle, bspw. einer zu kühlenden Batterie 7.2 oder einer zur Kühlung liegenden Elektronik-Baugruppe 7.2 verbunden ist.
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Die Funktionsweise eines solchen Kältemittelkreislaufs gemäß 1 ist für einen auf dem Gebiet von Fahrzeugklimaanlagen tätigen Fachmann bekannt und wird daher nicht im Detail erläutert.
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Der innere Wärmeübertrager 4 besteht aus einem Hochdruckzweig 4.1 und einem Niederdruckzweig 4.2, wobei der Hochdruckzweig 4.1 in einem ersten Kältemittelkreislaufabschnitt 10.1 zwischen dem Kühlmittelkondensator 2 oder dem Gaskühler 2 und dem Verdampfer 3 mit dessen Expansionsorgan 3.1 angeordnet ist. Der Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 befindet sich in einem zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt 10.2 zwischen dem Sammler 6 und dem Kältemittelverdichter 1. Der innere Wärmeübertrager 4 dieses Kältemittelkreislaufs 10 unterscheidet sich jedoch wesentlich von einem aus dem Stand der Technik bekannten inneren Wärmeübertrager dadurch, dass zwischen dem Eingang EN1 des Niederdruckzweiges 4.2 und dessen Ausgang AN1 eine Abzweigung 4.3 vorgesehen ist, mit dem ein Teil des durch den Niederdruckzweig 4.2 strömenden Kältemittel-Massenstroms über eine Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Niederdruckzweiges 4.2 abgeführt wird. Diese Bypass-Leitung 4.6 ist mittels eines verstellbaren Steuerorgans 4.7, bspw. ausgeführt als stufenlos verstellbares Ventil oder alternativ als reines Absperrventil schaltbar.
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Mittels dieser Bypass-Leitung 4.6 wird der Austauschgrad der Wärme zwischen der Hochdruckseite und Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 verändert, d. h. reduziert, indem über diese Bypass-Leitung 4.6 ein Teil des Kältemittel-Massenstroms auf die Auslassseite des Niederdruckzweiges 4.2 abgeführt wird. Wird das verstellbare Steuerorgan 4.7 vollständig geöffnet, strömt ein erster Anteil des Kältemittel-Massenstroms über die Bypass-Leitung 4.6 und ein zweiter Anteil des Kältemittel-Massenstroms über den an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 zum Ausgang AN1 des Niederdruckzweiges 4.2.
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Die Lage der Abzweigung 4.3 ist zwischen dem Eingang EN1 des Niederdruckzweiges 4.2 und dessen Ausgang AN1 bis zur Festlegung einer finalen Konfiguration frei wählbar. Diese freie Wählbarkeit der Abzweigung 4.3 ist durch einen Pfeil P angedeutet.
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Die Aufteilung des in den Niederdruckzweig 4.2 fließenden Kältemittels-Massenstroms in die Teilmassenströme erfolgt entsprechend der im Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 sowie der in der Bypass-Leitung 4.6 herrschenden Druckverluste, also in den durch die Abzweigung entstehenden Sektoren im Niederdruckzweig 4.2 sowie in Abhängigkeit der gewählten Lage der Abzweigung 4.3.
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Mit dem verstellbaren Steuerorgan 4.7 kann auch jede Zwischenstellung zwischen „geschlossen“ und „offen“ eingestellt werden.
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Das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT2. Wird mittels dieses Temperatursensors pT2 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur, der der Heißgastemperaturgrenze entspricht, wird durch Öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes (in 1 nicht dargestellt).
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Alternativ erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1. Wird mittels dieses Temperatursensors pT1 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur erreicht, wird durch Öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes (in 1 nicht dargestellt).
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Mit einem solchen variablen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 1 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Kältemittelverdichter 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Die 2 zeigt ein Detail des Kältemittelkreislaufs 10 nach 1, in der lediglich ein innerer Wärmeübertrager 4 mit Anschlussleitungen und der Niederdruck-Akkumulator 6 dargestellt sind.
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Im Unterschied zu dem inneren Wärmeübertrager 4 nach 1 weist der innere Wärmeübertrager 4 nach 2 in dem an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 ebenso ein verstellbares Steuerorgan 4.8 auf, welches entsprechend dem Steuerorgan 4.7 bspw. als stufenlos verstellbares Ventil ausgeführt ist. Damit kann auch dieser Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 geschaltet werden, so dass definierte Teilmassenströme des in den Niederdruckzweig 4.2 fließenden Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung 4.6 und durch den an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 einstellbar sind.
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Idealerweise sind beide Ventile 4.7 und 4.8 exakt gegenläufig so zu verfahren bzw. so einzustellen, dass die Summe der beiden Ventilquerschnittsflächen mindestens dem Strömungsquerschnitt des Niederdruckzweigs 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 entspricht. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Druckverluste im Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 4 generiert, was letztlich keine negative Beeinflussung auf die Systemeffizienz zur Folge hat.
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Insbesondere kann der Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 stromabwärts der Abzweigung 4.3 gesperrt werden (d. h. das Steuerorgan 4.8 ist vollständig gesperrt), so dass bei vollständig geöffnetem Steuerorgan 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 zu 100 % von dem in den Niederdruckzweig 4.2 strömenden Kältemittel-Massenstrom durchströmt wird. Damit wird der Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 durch die Abzweigung 4.3 in zwei Streckenabschnitte entsprechend einer Reihenschaltung von zwei Wärmeübertragern geteilt.
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Auch mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 2 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 bzw. zu hohen Heißgastemperaturen am Auslass des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 2 über die Steuerung der verstellbaren Steuerorgane 4.7 und 4.8 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Die 3 zeigt eine weitere alternative Ausführung eines inneren Wärmeübertragers 4 eines Kältemittelkreislaufs gemäß den 1 und 2. In den 1 und 2 ist die Bypass-Leitung 4.6 mit dem Niederdruckzweig 4.2 verbunden. Bei dem Kältemittelkreislauf nach 3 ist dagegen eine Bypass-Leitung 4.6 mit dem Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 verbunden.
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Hierzu ist gemäß 3 zwischen dem Eingang EH1 des Hochdruckzweiges 4.1 und dessen Ausgang AH1 eine Abzweigung 4.3 angeordnet, mit dem ein Teil des durch den Hochdruckzweig 4.1 strömenden Kältemittel-Massenstroms über die Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 abgeführt wird. Diese Bypass-Leitung 4.6 ist mittels eines verstellbaren Steuerorgans 4.7, bspw. ausgeführt als stufenlos verstellbares Ventil schaltbar.
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Mittels dieser Bypass-Leitung 4.6 wird der Austauschgrad der Wärme zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 verändert, d. h. reduziert, indem über diese Bypass-Leitung 4.6 ein Teil des Kältemittel-Massenstroms auf die Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 abgeführt wird. Wird das verstellbare Steuerorgan 4.7 vollständig geöffnet, strömt ein erster Anteil des Kältemittel-Massenstroms über die Bypass-Leitung 4.6 und ein zweiter Anteil des Kältemittel-Massenstroms über den an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Hochdruckzweiges 4.1 zum Ausgang AH1 des Hochdruckzweiges 4.1.
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Die Lage der Abzweigung 4.3 ist frei wählbar zwischen dem Eingang EH1 des Hochdruckzweiges 4.1 und dessen Ausgang AH1. Diese freie Wählbarkeit der Abzweigung 4.3 ist durch den Pfeil P angedeutet.
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Die Aufteilung des in den Hochdruckzweig 4.1 fließenden Kältemittels-Massenstroms in die Teilmassenströme erfolgt entsprechend dem im Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 herrschenden Druckverlusten, also in den durch die Abzweigung 4.3 entstehenden Sektoren im Hochdruckzweig 4.1 sowie in Abhängigkeit der gewählten Lage der Abzweigung 4.3.
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Mit dem verstellbaren Steuerorgan 4.7 kann auch jede Zwischenstellung zwischen „geschlossen“ und „offen“ eingestellt werden.
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Das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Kältemittelverdichters 1, erfasst mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT2. Zeigt dieser Temperatursensor pT2 das Erreichen eines Schwellwertes der Kältemittel-Temperatur, der der Heißgastemperaturgrenze entspricht, an, wird durch Öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes.
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Alternativ erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1. Zeigt dieser Temperatursensor pT1 das Erreichen eines Schwellwertes der Kältemittel-Temperatur an, wird durch öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes.
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Mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 3 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder zu hohen Heißgastemperaturen am Auslass des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Entsprechend der Detaildarstellung eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 2 kann auch der Teilmassenstrom durch den an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 mittels eines verstellbaren Steuerorgans 4.8 gesteuert werden, welches entsprechend dem Steuerorgan 4.7 bspw. als stufenlos verstellbares Ventil ausgeführt ist. Damit kann auch dieser Teilzweig des Hochdruckzweiges 4.1 geschaltet werden, so dass definierte Teilmassenströme des in den Hochdruckzweig 4.1 fließenden Kältemittel-Massenstroms durch die Bypass-Leitung 4.6 und durch den an die Abzweigung 4.3 sich anschließenden Teilzweig des Hochdruckzweiges 4.1 einstellbar sind.
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Insbesondere kann der Teilzweig des Hochdruckzweiges 4.1 stromabwärts der Abzweigung 4.3 gesperrt werden (d. h. das Steuerorgan 4.8 ist vollständig gesperrt), so dass bei vollständig geöffnetem Steuerorgan 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 zu 100 % von dem in den Hochdruckzweig 4.1 strömenden Kältemittel-Massenstrom durchströmt wird. Damit wird der Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 durch die Abzweigung 4.3 in zwei Streckenabschnitte entsprechend einer Reihenschaltung von zwei Wärmeübertragern geteilt.
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Auch mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß der alternativen Ausführung mit dem weiteren verstellbaren Steuerorgan 4.8 gemäß 3 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder zu hohen Heißgastemperaturen am Austritt des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 3 über die Steuerung der verstellbaren Steuerorgane 4.7 und 4.8 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Die Steuerung dieser beiden Steuerorgane 4.7 und 4.8 erfolgt ebenso wie in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Eingang des Kältemittelverdichters 1, die mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1 erfasst wird.
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Idealerweise sind beide Ventile 4.7 und 4.8 exakt gegenläufig so zu verfahren bzw. so einzustellen, dass die Summe der beiden Ventilquerschnittsflächen mindestens dem Strömungsquerschnitt des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 entspricht. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Druckverluste im Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 4 generiert, was letztlich keine negative Beeinflussung auf die Systemeffizienz zur Folge hat.
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Die 4 zeigt eine weitere alternative Ausführung eines inneren Wärmeübertragers 4 eines Kältemittelkreislaufs gemäß 1. Bei dieser Konfiguration eines Kältemittelkreislaufs gemäß der Erfindung befindet sich eine Abzweigung 4.3 auf der Einlassseite des Niederdruckzweiges 4.2, zwischen dem Niederdruck-Akkumulator 6 und dem Eingang EN1 des Niederdruckzweiges 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4.Über diese Abzweigung 4.3 wird ein Teil des durch den Niederdruck-Akkumulator 6 strömenden Kältemittel-Massenstroms über eine Bypass-Leitung 4.6 einem Zufuhranschluss 4.30 des Niederdruckzweiges 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 zugeführt. An diesem Zufuhranschluss 4.30 werden die beiden Teilmassenströme, zum einen der bezogen auf den Zufuhranschluss 4.30 stromaufwärtsseitige und zum anderen der über die Bypass-Leitung 4.6 zugeführte Teilmassenstrom zusammengeführt und können sich an den sich anschließenden Teilzweig vermischen.
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Diese Bypass-Leitung 4.6 ist mittels eines verstellbaren Steuerorgans 4.7, bspw. ausgeführt als stufenlos verstellbares Ventil oder alternativ als reines Absperrventil schaltbar.
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Mittels dieser Bypass-Leitung 4.6 wird der Austauschgrad der Wärme zwischen der Hochdruckseite und Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 verändert, d. h. reduziert, indem über diese Bypass-Leitung 4.6 ein Teil des Kältemittel-Massenstroms über einen an den Zufuhranschluss 4.30 stromabwärts sich anschließenden Teilzweig des Niederdruckzweiges 4.2 abgeführt wird. Wird das verstellbare Steuerorgan 4.7 vollständig geöffnet, strömt ein erster Anteil des Kältemittel-Massenstroms über die Bypass-Leitung 4.6 und ein zweiter Anteil des Kältemittel-Massenstroms über den Niederdruckzweiges 4.2 bis zum Zufuhranschluss 4.30 und anschließend zusammen mit dem Teilmassenstrom aus der Bypass-Leitung 4.6 zum Ausgang AN1 des Niederdruckzweiges 4.2.
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Die Lage des Zufuhranschlusses 4.30 ist zwischen dem Eingang EN1 des Niederdruckzweiges 4.2 und dessen Ausgang AN1 bis zur Festlegung einer finalen Konfiguration frei wählbar. Diese freie Wählbarkeit des Zufuhranschlusses 4.30 ist durch einen Pfeil P angedeutet.
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Die Aufteilung des in den Niederdruckzweig 4.2 fließenden Kältemittels-Massenstroms in die Teilmassenströme erfolgt entsprechend der im Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 sowie der in der Bypass-Leitung 4.6 herrschenden Druckverluste, also in den durch den Zufuhranschluss 4.30 entstehenden Sektoren im Niederdruckzweig 4.2 sowie in Abhängigkeit von dessen gewählten Lage.
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Mit dem verstellbaren Steuerorgan 4.7 kann auch jede Zwischenstellung zwischen „geschlossen“ und „offen“ eingestellt werden.
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Weiter kann in Analogie zu 2 durch Einbringen eines zusätzlichen als Ventil ausgebildeten verstellbaren Steuerorgans 4.8 im Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 oder beliebig zwischen der Abzweigung 4.3 und der Zufuhrstelle 4.30 eine Durchströmung des Niederdruckzweiges 4.2 stromaufwärts von 4.30 unterbunden und damit dieser Bereich zwangsgebypasst wird.
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Das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT2. Wird mittels dieses Temperatursensors pT2 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur, der der Heißgastemperaturgrenze entspricht, wird durch Öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes (in 1 nicht dargestellt).
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Alternativ erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1. Wird mittels dieses Temperatursensors pT1 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur erreicht, wird durch Öffnen des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 aktiviert. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes (in 1 nicht dargestellt).
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Mit einem solchen variablen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 1 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Kältemittelverdichter 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Diese einlassseitige Anordnung einer Abzweigung 4.3 mit einer auf einen Zufuhranschluss 4.30 führenden Bypass-Leitung 4.6 kann auch auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 4 realisiert werden. Dies bedeutet, dass eine Abzweigung einlassseitig des Hochdruckzweiges 4.1 angeordnet ist und eine davon abzweigende Bypass-Leitung auf einen Zufuhranschluss geführt ist, der zwischen dem Eingang des Hochdruckzweiges 4.1 und dessen Ausgang liegt. Eine solche Anordnung weist auch die im Zusammenhang mit dem Kältemittelkreislauf nach 4 aufgeführten Vorteile auf.
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Die 5 zeigt wieder eine Detaildarstellung eines Kältemittelkreislaufs 10 nach 1 mit einer weiteren alternativen Ausführung des inneren Wärmeübertragers 4. Bei diesem inneren Wärmeübertrager 4 ist eine Abzweigung 4.4 am Eingang EN1 von dessen Niederdruckzweig 4.2 angeordnet, wobei diese Abzweigung 4.4 über eine Bypass-Leitung 4.6 mit der Auslassseite des Niederdruckzweiges 4.2 verbunden ist. Damit wird im Vergleich zu den Ausführungen gemäß den 1 bis 3 der für den Niederdruckzweig 4.1 vorgesehene eingangsseitige Kältemittel-Massenstrom bereits am Eingang EN1 des Niederdruckzweiges 4.2 in zwei Teilmassenströme mittels eines verstellbaren Steuerorgans 4.7 aufgeteilt. Nach 5 ist dieses verstellbare Steuerorgan 4.7 ein bspw. als Drehschieberventil ausgeführtes Mehrwegeventil, so dass die beiden Teilmassenströme durch die Bypass-Leitung 4.6 und den Niederdruckzweig 4.2 individuell einstellbar sind. Anstelle des Mehrwegeventils, bspw. in der Ausführung als Drehschieberventil, kann das verstellbare Steuerorgan 4.7 auch mittels zwei stufenlos verstellbaren Einzelventilen realisiert werden, die gegenläufig angesteuert werden. So kann bspw. ein verstellbares Steuerorgan für die Bypass-Leitung 4.6 geöffnet werden, wobei gleichzeitig das für den Niederdruckzweig 4.2 vorgesehene verstellbare Steuerorgan vollständig geschlossen ist. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des als Mehrwegeventil (Drehschieberventil) oder als zwei separate Einzelventile ausgeführten Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes.
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Diese Anordnung erlaubt es den inneren Wärmeübertrager 4 vollständig funktional aus dem Prozess herauszunehmen und den Austauschgrad damit auf Null zu setzen, da der innere Wärmeübertrager 4 nur noch hochdruckseitig über den Hochdruckzweig 4.1 durchströmt wird, jedoch das Kältemittel auf der Niederdruckseite zu 100% über die Bypass-Leitung 4.6 strömt.
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Das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT2, wie dies in 1 dargestellt ist. Wird mittels dieses Temperatursensors pT2 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur detektiert, wird mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 geöffnet.
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Alternativ erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Kältemittelverdichters 1 mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1, wie dies in 1 dargestellt ist. Wird mittels dieses Temperatursensors pT1 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur detektiert, wird mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.7 die Bypass-Leitung 4.6 geöffnet.
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Mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 5 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder zu hohen Heißgastemperaturen am Auslass des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Es gilt auch hier die gegenläufige Ansteuerung der freizugebenden bzw. zu schließenden Ventilöffnungsquerschnitte und das Prinzip der gleichbleibenden resultierenden Strömungsquerschnittsfläche.
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Diese den Niederdruckzweig 4.2 überbrückende Bypass-Leitung 4.6 des inneren Wärmeübertragers 4 des Kältemittelkreislaufs 10 nach 5 kann auch auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 4 realisiert werden, wie dies in 6 dargestellt ist.
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So ist gemäß 6 am Eingang AH1 des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 eine Abzweigung 4.4 mit einem bspw. als Drehschieberventil ausgeführten Mehrwegeventils bzw. verstellbaren Steuerorgan 4.7 angeordnet, so dass mittels des Steuerorgans 4.7 die Abzweigung 4.4 über eine Bypass-Leitung 4.6 mit der Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 verbindbar ist. In Abhängigkeit der Stellung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 wird ein Teil des Kältemittel-Massenstroms über die Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 abgeführt, wobei die beiden Teilmassenströme, also der Teilmassenstrom durch die Bypass-Leitung 4.6 und der Teilmassenstrom durch den Hochdruckzweig 4.1 aktiv eingeregelt werden können. Anstelle des bspw. als Drehschieberventil ausgeführten Mehrwegeventils bzw. verstellbaren Steuerorgans 4.7 können auch zwei stufenlos verstellbare Einzelventile eingesetzt werden, so dass ein Einzelventil den Teilmassenstrom durch die Bypass-Leitung 4.6 und das andere Einzelventil den Teilmassenstrom durch den Hochdruckzweig 4.1 steuert. Es ist auch möglich den Hochdruckzweig 4.1 vollständig zu sperren, so dass der Kältemittel-Massenstrom zu 100 % über die Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 abgeführt wird.
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Es gilt auch bei dieser Konfiguration gemäß 6 die gegenläufige Ansteuerung der freizugebenden bzw. zu schließenden Ventilöffnungsquerschnitte und das Prinzip der gleichbleibenden resultierenden Strömungsquerschnittsfläche.
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Auch bei dieser Ausführung des inneren Wärmeübertragers 4 gemäß 6 erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kältemittelverdichters 1, die mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT2 erfasst wird, wie dies in 1 dargestellt ist. Wird mittels dieses Temperatursensors pT2 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur erreicht, erfolgt mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.7 ein Öffnen der Bypass-Leitung 4.6. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes.
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Alternativ erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Eingang des Kältemittelverdichters 1, die mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1 erfasst wird, wie dies in 1 dargestellt ist. Wird mittels dieses Temperatursensors pT1 ein Schwellwert der Kältemittel-Temperatur erreicht, erfolgt mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.7 ein Öffnen der Bypass-Leitung 4.6. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) des Steuerorgans 4.7 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes.
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Mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 6 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder zu hohen Heißgastemperaturen am Auslass des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung des verstellbaren Steuerorgans 4.7 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Die Bypass-Leitung 4.6 der Wärmeübertrager 4 gemäß den 4 und 5 kann über einen parallelen Rohrverlauf zum Hochdruckzweig 4.1 oder zum Niederdruckzweig 4.2 des Wärmeübertragers 4 ausgeführt werden, der in der Regel als Koax-Wärmeübertrager realisiert ist. Alternativ ist es auch möglich, die Bypass-Leitung 4.6 um einen solchen Koax-Wärmeübertrager herum zu führen, der als Rohr-in-Rohr-Variante ausgeführt ist. Damit stellen solche Wärmeübertrager 4 ein eigenständiges Bauteil dar (in den 4 und 5 als gestrichelte Umrahmung dargestellt).
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Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 weist keine WärmepumpenFunktion auf. Die in den 1 bis 5 beschriebenen inneren Wärmeübertrager 4 können auch in einem Kältemittelkreislauf 10 mit einer Wärmepumpen-Funktion eingesetzt werden, wobei in diesem Fall der Gaskühler 2 oder der Kältemittelkondensator 2 gemäß 1 als Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft eingesetzt werden können.
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In Praxistests hat sich herausgestellt, dass sich ein innerer Wärmeübertrager gemäß dem Stand der Technik eher nachteilig auf die Funktion eines Wärmepumpenprozesses auswirkt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit den erfindungsgemäßen Kältemittelkreisläufen gemäß den 1 bis 5 zeigt sich, dass sich diese erfindungsgemäße Funktion des Bypassens bzw. der aktiven Variation des Austauschgrades sich positiv auf die Wärmepumpenfunktion auswirkt und damit die Nachteile der Verwendung eines üblichen inneren Wärmeübertragers kompensiert werden können.
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Die 7 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 nach 1 mit einem Wärmeübertrager 4, bei dem entsprechend des inneren Wärmeübertragers 4 gemäß 6 auf dessen Einlassseite des Hochdruckzweiges 4.1 eine Abzweigung 4.5 angeordnet ist, über welche ein Teilstrom des für den Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 vorgesehenen Kältemittel-Massenstroms mittels einer Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Wärmeübertragers 4 abgeführt wird. In dieser Bypass-Leitung 4.6 ist ein weiterer innerer Wärmeübertrager 5 mit einem Hochdruckzweig 5.1 und einem Niederdruckzweig 5.2 angeordnet. Der über die Bypass-Leitung 4.6 auf die Auslassseite des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 abgeführter Teilmassenstrom wird durch den Hochdruckzweig 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers 5 geleitet. Diese Bypass-Leitung 4.6 stellt damit einen schaltbaren Zulauf zu dem Hochdruckzweig 5.1 des Weiteren inneren Wärmeübertrager 5 dar.
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Zwischen der Abzweigung 4.5 und dem Hochdruckzweig 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers 5 ist ein als stufenlos verstellbares Einzelventil ausgeführtes verstellbares Steuerorgan 4.7 und zwischen der Abzweigung 4.5 und dem Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 ein weiteres, ebenso als stufenlos verstellbares Einzelventil ausgeführtes verstellbares Steuerorgan 4.8 angeordnet.
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Diese beiden inneren Wärmeübertrager 4 und 5 weisen unterschiedliche Längen auf, wodurch unterschiedliche Wärmeaustauschgrade zwischen der Hochdruckseite unter Niederdruckseite über diese beiden Wärmeübertrager 4 und 5 des Kältemittelkreislaufs 10 entstehen. Als Sonderfall wäre ein Einsatz von zwei gleichlangen inneren Wärmeübertragern 4 und 5 ebenso möglich. Die Steuerorgane 4.7 und 4.8 können so gesteuert werden, dass der aus dem Gaskühler 2 oder dem Kondensator 2 strömende Kältemittel-Massenstrom in definierter Weise auf den Hochdruckzweig 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 und den Hochdruckzweig 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers aufgeteilt werden. Es ist auch möglich mittels des Steuerorgans 4.7 den Hochdruckzweig 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers 5 zu sperren, so dass der gesamte Kältemittel-Massenstrom über den Hochdruckzweig 4.1 des Wärmeübertragers 4 geführt wird. Umgekehrt kann natürlich durch Schließen des Steuerorgans 4.8 der gesamte Kältemittel-Massenstrom über den Hochdruckzweig 5.1 des Weiteren inneren Wärmeübertragers 5 auf die Auslassseite des inneren Wärmeübertragers 4 abgeführt werden. Die durch die Hochdruckzweige 4.1 und 5.1 geführten Teilmassenströme werden auf der Auslassseite des Wärmeübertragers 4 bzw. des weiteren Wärmeübertragers 5 in einem Verzweigungspunkt 11 zusammengeführt, der mit den Expansionsorgane 3.1 und 7.1 des Verdampfers 3 bzw. des Chillers 7 verbunden ist.
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Umgekehrt wird das durch den Verdampfer 3 und den Chiller 7 strömende Kältemittel über den Niederdruck-Akkumulator 6 über eine Abzweigung 12 sowohl in den Niederdruckzweig 4.2 des inneren Wärmeübertragers 4 als auch in den Niederdruckzweig 5.2 des weiteren inneren Wärmeübertragers 5 geleitet und ausgangsseitig der beiden Niederdruckzweige 4.2 und 5.2 in einer Abzweigung 13 wieder zusammengeführt und zum Kältemittelverdichter 1 geleitet.
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Auch bei dieser Ausführung des inneren Wärmeübertragers 4 mit einem parallel schaltbaren weiteren inneren Wärmeübertrager 5 gemäß 7 erfolgt das Schalten der Bypass-Leitung 4.6 mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.7 sowie das Schalten des Hochdruckzweiges 4.1 mittels des verstellbaren Steuerorgans 4.8 in Abhängigkeit der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder am Auslass des Kältemittelverdichters 1, wobei die Temperatur mittels eines Druck-Temperatur-Sensors pT1 bzw. pT2 detektiert wird. Wird ein von diesem Temperatursensor pT1 oder pT2 anzeigender Schwellwert der Kältemittel-Temperatur erreicht, werden mittels der verstellbaren Steuerorgane 4.7 und 4.8 die Teilströme des Kältemittel-Massenstroms jeweils durch die Hochdruckzweig 4.1 und 5.1 eingestellt oder entweder der innere Wärmeübertragung 4 oder der weitere inneren Wärmeübertragers 5 gesperrt. Die Steuerung des Öffnungsgrades, (teilweise oder vollständig) der Steuerorgane 4.7 und 4.8 erfolgt mittels einer Steuereinheit, bspw. eines Klimasteuergerätes (in 7 nicht dargestellt). Wird der Durchfluss von Kältemittel durch einer der beiden Hochdruckzweiges 4.1 oder 5.1 gesperrt, werden die Rückströme weiterhin durch die Niederdruckzweige 4.2 und 5.2 der beiden inneren Wärmeübertrager 4 und 5 geleitet. In dem inneren Wärmeübertrager mit gesperrtem Hochdruckzweig 4.1 öder 5.1 erfolgt jedoch keine Wärmeübertragung von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10.
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Auch bei diesem Kältemittelkreislauf 1 gemäß 7 gilt die gegenläufige Ansteuerung der freizugebenden bzw. zu schließenden Ventilöffnungsquerschnitte mittels der Steuerorgane 4.7 und 4.8 sowie das Prinzip der gleichbleibenden resultierenden Strömungsquerschnittsfläche.
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Die beiden Steuerorgane 4.7 und 4.8 sind gemäß 7 eintrittsseitig von beiden inneren Wärmeübertrager 4 und 5 angeordnet. Es ist auch möglich, dass diese Steuerorgane 4.7 und 4.8 jeweils austrittsseitig von den beiden Wärmeübertragern 4 und 5 eingesetzt werden.
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Eine weitere Schaltungsvariante hinsichtlich dieser beiden Steuerorgane 4.7 und 4.8 ergibt sich dadurch, dass diese sowohl ein- und austrittsseitig, also „über Kreuz“, von den Wärmeübertragern 4 und 5 platziert werden. Dies bedeutet, dass das Steuerorgan 4.7 am Eingang EH1 des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 und das Steuerorgan 4.7 am Ausgang des Hochdruckzweiges 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers 5 angeordnet wird, oder umgekehrt, dass das Steuerorgan 4.8 am Ausgang AH1 des Hochdruckzweiges 4.1 des inneren Wärmeübertragers 4 und das Steuerorgan 4.7 am Eingang des Hochdruckzweiges 5.1 des weiteren inneren Wärmeübertragers platziert wird.
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Wird in einem weiteren Schritt auch saugseitig mindestens ein Absperrventil vorgesehen, so können die inneren Wärmeübertrager auch so verschaltet werden, dass es letztlich zwischen ND und HD zu keiner Wärmeübertragung kommt. Bezogen auf 7 heißt das, dass somit 5 in seinem niederdruckseitigen Abschnitt 5.2 und 4 in seinem Hochdruckseitigen Abschnitt 4.1 durchströmbar wäre. Umgekehrt kann dieses mindestens eine Ventil auch bewirken, dass vom inneren Wärmeübertrager 5 der hochdruckseitige Abschnitt 5.1 und von 4 der niederdruckseitige durchströmt wird.
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Mit einem solchen inneren Wärmeübertrager 4 eines Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 7 wird aufgrund von zu hohen Eintrittstemperaturen oder Überhitzungen am Einlass des Kältemittelverdichters 1 oder zu hohen Heißgastemperaturen am Auslass des Kältemittelverdichters 1 eine frühzeitige Heißgasabregelung vermieden. Der Austauschgrad kann in diesem Kältemittelkreislauf 10 über die Steuerung der verstellbaren Steuerorgane 4.7 und/oder 4.8 bedarfsgerecht eingestellt werden.....
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelverdichter
- 2
- Kondensator oder Gaskühler
- 3
- Verdampfer
- 3.1
- Expansionsorgan
- 4
- innerer Wärmeübertrager
- 4.1
- Hochdruckzweig des inneren Wärmeübertragers 4
- 4.2
- Niederdruckzweig des inneren Wärmeübertragers 4
- 4.3
- Abzweigung
- 4.30
- Zufuhranschluss
- 4.4
- Abzweigung
- 4.5
- Abzweigung
- 4.6
- Bypass-Leitung
- 4.7
- verstellbares Steuerorgan
- 4.8
- verstellbares Steuerorgan
- 5
- weiterer innerer Wärmeübertrager
- 5.1
- Hochdruckzweig des weiteren inneren Wärmeübertragers 5
- 5.2
- Niederdruckzweig des weiteren inneren Wärmeübertragers 5
- 6
- Niederdruck-Akkumulator
- 7
- Chiller
- 7.0
- Kühlmittelkreislauf
- 7.1
- Expansionsorgan
- 7.2
- Wärmequelle
- 10
- Kältemittelkreislauf
- 10.1
- erster Kältemittelkreislaufabschnitt des Kältemittelkreislaufs 10
- 10.2
- zweiter Kältemittelkreislaufabschnitt des Kältemittelkreislaufs 10
- 11
- Verzweigungspunkt des Kältemittelkreislaufs 10
- 12
- Verzweigungspunkt des Kältemittelkreislaufs 10
- 13
- Verzweigungspunkt des Kältemittelkreislaufs 10
- AH1
- Ausgang des Hochdruckzweiges 4.1
- AN1
- Ausgang des Niederdruckzweiges 4.2
- EH1
- Eingang des Hochdruckzweiges 4.1
- EN1
- Eingang des Niederdruck Zweiges 4.2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013105747 A1 [0002]
- DE 10158104 A1 [0003]
