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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Klimakreise und insbesondere der Kraftfahrzeugklimakreise.
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Bei einem herkömmlichen Klimakreis mit einem Hauptverdichter, einem ersten Wärmetauscher, wie etwa einem Kondensator oder einem Gaskühler, und mit einem zweiten Wärmetauscher, wie etwa einem Verdampfer, geht bei der Druckminderung des Kältefluids, beispielsweise mit einem Druckminderer, eine bestimmte Energiemenge verloren. Es ist somit bekannt, den Druckminderer durch eine Turbine zu ersetzen, die mit einem Zusatzverdichter verbunden ist, der mit dem Hauptverdichter in Reihe geschaltet ist. Dadurch kann die kinetische Energie auf Höhe der Turbine wiedergewonnen und diese zur Verdichtung des Kältefluids auf Höhe des Zusatzverdichters verwendet werden. Unter in Reihe geschaltet ist wie bei einer Reihenschaltung auf dem Gebiet von Stromanschlüssen zu verstehen, dass der Kältefluidausgang des Hauptverdichters mit dem Kältefluideingang des Zusatzverdichters verbunden ist, wenn dieser stromabwärts des Hauptverdichters angeordnet ist, oder dass der Kältefluideingang des Hauptverdichters mit dem Kältefluidausgang des Zusatzverdichters verbunden ist, wenn dieser stromaufwärts des Hauptverdichters angeordnet ist.
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Für diese Art Klimakreisstruktur mit einer Turbine wird jedoch durch das Hinzufügen eines Innenwärmetauschers der Leistungskoeffizient des Klimakreises verringert. Unter bestimmten Extrembedingungen, insbesondere im Leerlauf bei hoher Belastung (beispielsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 55°C auf Höhe des Kondensators bei einer Geschwindigkeit der durch diesen strömenden Luft von 1,5 m/s), kann der Klimakreis keine Leistung erreichen, die ausreicht, um die Luft auf Höhe des Verdampfers ohne das Vorhandensein eines Innenwärmetauschers zu kühlen.
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Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu beseitigen und eine verbesserte Klimakreisstruktur vorzuschlagen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Klimakreis, in dem ein Kältefluid zirkuliert und der Folgendes aufweist:
- – einen Hauptverdichter,
- – einen ersten Wärmetauscher, der stromabwärts des Hauptverdichters angeordnet ist,
- – einen zweiten Wärmetauscher, der stromaufwärts des Hauptverdichters angeordnet ist,
- – einen Innenwärmetauscher, mit dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältefluid am Ausgang des ersten Wärmetauschers und dem Kältefluid am Ausgang des zweiten Wärmetauschers ermöglicht werden kann,
wobei der Klimakreis einen Zweig zur Umgehung des Innenwärmetauschers aufweist.
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Mit dem Umgehungszweig ist es auch möglich, das Kältefluid so umzuleiten, dass es innerhalb des Innenwärmetauschers strömt oder auch diesen umgeht, und somit verhindert, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältefluid am Ausgang des ersten Wärmetauschers und dem Kältefluid am Ausgang des zweiten Wärmetauschers stattfindet. Der Innenwärmetauscher ist nur dann funktionsfähig, wenn seine Wirkung wirksam ist, d. h. unter extremen Bedingungen, insbesondere im Leerlauf bei hoher Belastung (beispielsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 55°C auf Höhe des ersten Wärmetauschers bei einer Geschwindigkeit der durch ihn strömenden Luft von 1,5 m/s), in denen er es dem System ermöglicht, die kalte Leistung, die auf Höhe des zweiten Wärmetauschers bereitgestellt wird, zu erhöhen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der Klimakreis eine Druckminderungsturbine auf, die stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Zweig zur Umgehung des Innenwärmetauschers zwischen einem ersten Anschlusspunkt stromaufwärts des Innenwärmetauschers und einem Anschlusspunkt stromabwärts des Innenwärmetauschers gebildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt der Zweig zur Umgehung des Innenwärmetauschers auf der Hochdruckseite des Klimakreises.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt der Zweig zur Umgehung des Innenwärmetauschers auf der Niederdruckseite des Klimakreises.
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Unter Hochdruckseite ist hier zu verstehen, dass es sich um den Abschnitt des Klimakreises handelt, der zwischen dem Hauptverdichter und der Druckminderungsturbine liegt, wo das Kältefluid bei einem hohen Druck ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Klimakreis ein Mittel zur Umleitung des Kältefluids zum Innenwärmetauscher oder zum Umgehungszweig auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Kältefluidumleitungsmittel ein Dreiwegeventil, das stromaufwärts des Innenwärmetauschers auf Höhe des ersten Anschlusspunkts angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Kältefluidumleitungsmittel ein erstes Sperrventil auf, das zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem Innenwärmetauscher angeordnet ist, sowie ein zweites Sperrventil, das am Umgehungszweig angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Umleitungsmittel Formgedächtnismaterialien oder Kugeln zur Messung der Temperatur des Kältefluids am Ausgang des ersten Wärmetauschers.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat der Innenwärmetauscher eine Wärmeübertragungsleistung, die zwischen 20 und 40% beträgt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Druckminderungsturbine an einen Zusatzverdichter gekoppelt, der stromaufwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist.
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Die Kopplung zwischen der Druckminderungsturbine und dem Zusatzverdichter kann mechanischer Art sein, beispielsweise mit einer Übertragungswelle, oder kann anderer Art sein und zum Beispiel hydraulisch oder magnetisch erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Klimakreis ferner einen Entfeuchtungsspeicher auf, der stromaufwärts des Hauptverdichters und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Entfeuchtungsspeicher im Innenwärmetauscher integriert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt der Umgehungszweig auf der Hochdruckseite des Klimakreises, wenn der Entfeuchtungsspeicher im Innenwärmetauscher integriert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei dem Kältefluid um Kohlendioxid.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem wie oben beschriebenen Klimakreis.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel gegeben ist, und anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Klimakreises gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung eines Klimakreises gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine schematische Darstellung eines Klimakreises gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In den verschiedenen Figuren sind identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei der vorliegenden Beschreibung ist unter „stromaufwärts angeordnet” zu verstehen, dass ein Element in Kältefluidzirkulationsrichtung vor einem anderen Element liegt. Im Gegensatz dazu ist unter „stromabwärts angeordnet” zu verstehen, dass ein Element in Kältefluidzirkulationsrichtung nach einem anderen Element liegt.
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Wie in den 1 bis 3 veranschaulicht, weist der Klimakreis 1, in dem ein Kältefluid zirkuliert, insbesondere Folgendes auf:
- – einen Hauptverdichter 3,
- – einen ersten Wärmetauscher 5, der stromabwärts des Hauptverdichters 3 angeordnet ist,
- – einen zweiten Wärmetauscher 9, der stromaufwärts des Hauptverdichters 3 angeordnet ist,
- – einen Innenwärmetauscher 13, mit dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältefluid am Ausgang des ersten Wärmetauschers 5 und dem Kältefluid am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 9 ermöglicht werden kann, und
- – eine Druckminderungsturbine 7, die stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 9 angeordnet ist.
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Der erste Wärmetauscher 5, beispielsweise ein Kondensator oder ein Gaskühler, ist dazu vorgesehen, das Kältefluid nach dem Strömen im Hauptverdichter 3 insbesondere durch Abgabe der Wärmeenergie des Kältefluids zur Außenluft zu kühlen. Der zweite Wärmetauscher 9, beispielsweise ein Verdampfer, ist dazu vorgesehen, das Kältefluid insbesondere durch Entnahme von Wärmeenergie von einem Luftstrom zu erwärmen. Dieser Luftstrom kann zum Beispiel ein Luftstrom sein, der in das Innere eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs gebracht werden soll.
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Mit der Druckminderungsturbine 7 ist es möglich, die mechanische Energie bei einer Druckminderung des Kältefluids wiederzugewinnen und sie zu einem weiteren Organ, zum Beispiel zu einem Wechselstromerzeuger weiterzuleiten, um Strom zu erzeugen.
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Wie in 3 veranschaulicht, kann die Druckminderungsturbine 7 an einen Zusatzverdichter 73 gekoppelt ist, der stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 5 angeordnet ist. Diese Kopplung kann insbesondere mechanisch sein und mit einer Übertragungswelle 75 realisiert werden, die die Druckminderungsturbine 7 und den Zusatzverdichter 73 verbindet. Es ist jedoch auch denkbar, eine Kopplung anderer Art zwischen der Druckminderungsturbine 7 und dem Zusatzverdichter 73 zu haben, zum Beispiel eine hydraulische oder magnetische Kopplung. Der Zusatzverdichter 73 ist innerhalb des Klimakreises 1 parallel zum Hauptverdichter 3 geschaltet.
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Der Zusatzverdichter 73 verdichtet dann das Kältefluid zusammen mit dem Hauptverdichter 3. Aufgrund der Wiedergewinnung dieser Energie auf Höhe der Druckminderungsturbine 7 ist die Enthalpie des Kältefluids am Eingang des zweiten Wärmetauschers 9 niedriger als bei der Verwendung eines herkömmlichen Druckminderers, wobei dadurch die Wirksamkeit des Verdampfers bei gleichwertigen Abmessungen erhöht wird.
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Der Hauptverdichter 3, der erste Wärmetauscher 5, die Druckminderungsturbine 7 und der zweite Wärmetauscher 9 sind innerhalb des Klimakreises 1 in Reihe geschaltet. Unter „in Reihe geschaltet” ist wie bei der Terminologie auf dem Gebiet der Elektrik zu verstehen, dass diese Elemente nacheinander im Klimakreis 1 angeordnet sind. Der Zusatzverdichter 73 ist seinerseits parallel zum Hauptverdichter 3 geschaltet. Unter „parallel geschaltet” ist wie bei der Terminologie auf dem Gebiet der Elektrik zu verstehen, dass der Kältefluideinlass des Hauptverdichters 3 und der des Zusatzverdichters 73 beide mit der gleichen Zuführung für Kältefluid, d. h. das aus dem zweiten Wärmetauscher 9 stammt, verbunden sind. Der Kältefluidauslass des Hauptverdichters 3 und der des Zusatzverdichters 73 sind ihrerseits beide mit dem Kältefluideinlass des ersten Wärmetauschers 5 verbunden.
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Wie in 3 gezeigt, können der Kältefluidausgang des Hauptverdichters 3 und der des Zusatzverdichters 73 beide mit einem ersten Verbindungsknoten 101 verbunden sein, der stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 5 angeordnet ist. Der Kältefluideingang des Hauptverdichters 3 und der des Zusatzverdichters 73 können ihrerseits beide mit einem zweiten Verbindungsknoten 102 verbunden sein, der stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 9 angeordnet ist.
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Diese Schaltung des Zusatzverdichters 73 parallel zum Hauptverdichter 3 ermöglicht die Begrenzung des Hubraums und der Leistung eines der Verdichter im Vergleich zu einer Serienschaltung der beiden Verdichter. Für eine Serienschaltung der beiden Verdichter muss nämlich der stromabwärtige Verdichter, im Allgemeinen der Zusatzverdichter 73, eine ausreichende Kapazität haben, um das Kältefluid den Durchsatz zu bringen, der für den ordnungsgemäßen Betrieb des durch die Verdichter 3 und 73 gebildeten Systems erforderlich ist, wobei die Druckminderung durch eine Steuerung der Geschwindigkeit und durch eine zusätzliche Druckminderung angepasst werden muss. Durch die parallele Schaltung des Zusatzverdichters 73 mit dem Hauptverdichter 3 ist es möglich, über Verdichter mit geringerem Hubraum zu verfügen, um den gewünschten Durchsatz zu erreichen, da die Durchsätze am Ausgang der beiden Verdichter addiert werden.
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Der Klimakreis 1 ist insbesondere zum Kühlen von Luft im Kraftfahrzeugbereich innerhalb eines Kraftfahrzeugs geeignet, es ist jedoch möglich, einen Klimakreis 1 auf anderen Gebieten als dem Kraftfahrzeuggebiet zu nutzen, zum Beispiel auf dem Gebiet der Wärmeverwaltung und der Kühlung von Gebäuden, Kühlkammern usw.
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Der Klimakreis 1 weist ferner einen Zweig A zur Umgehung des Innenwärmetauschers 13 zwischen einem ersten Anschlusspunkt 103 stromaufwärts des Innenwärmetauschers 13 und einem zweiten Anschlusspunkt 104 stromabwärts des Innenwärmetauschers 13 auf. Der Umgehungszweig A ermöglicht somit eine Umleitung des Kältefluids, damit es durch den Innenwärmetauscher 13 strömt oder aber diesen umgeht und somit verhindert, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältefluid am Ausgang des ersten Wärmetauschers 5 und dem Kältefluid am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 9 stattfindet. Der Innenwärmetauscher 13 ist nur dann funktionsmäßig, wenn seine Wirkung wirksam ist, d. h. unter extremen Bedingungen, insbesondere im Leerlauf bei hoher Belastung (beispielsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 55°C auf Höhe des ersten Wärmetauschers 5 bei einer Geschwindigkeit der durch ihn strömenden Luft von 1,5 m/s), bei denen er es durch seine Wirkung ermöglicht, dass das System die kalte Leistung erhöht, die auf Höhe des zweiten Wärmetauschers abgegeben wird.
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Bei dem Kältefluid handelt es sich vorzugsweise um Kohlendioxid (CO2 oder auch R744). Die Steuerung des Drucks am Ausgang der Druckminderungsturbine 7 ist nämlich begrenzt, und die Verwendung von R744 als Kältefluid ermöglicht eine Beseitigung dieses Nachteils.
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Wie in 1 veranschaulicht, ist der Umgehungszweig A des Innenwärmetauschers auf der Niederdruckseite des Klimakreises 1 angeordnet. Unter Niederdruckseite ist zu verstehen, dass es sich um den Abschnitt des Klimakreises 1 handelt, der zwischen der Druckminderungsturbine 7 und dem Hauptverdichter 3 liegt, wo das Kältefluid bei einem niedrigen Druck ist. Der Umgehungszweig A ermöglicht insbesondere eine Umgehung des Innenwärmetauschers 13 zwischen einem ersten Anschlusspunkt 103, der zwischen dem zweiten Wärmetauscher 9 und dem Innenwärmetauscher 13 liegt, und einem zweiten Anschlusspunkt 104, der zwischen dem Innenwärmetauscher 13 und dem Hauptverdichter 3 liegt.
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Wie in 2 veranschaulicht, liegt der Umgehungszweig A des Innenwärmetauschers auf der Hochdruckseite des Klimakreises 1. Unter Hochdruckseite ist zu verstehen, dass es sich um den Abschnitt des Klimakreises 1 handelt, der zwischen dem Hauptverdichter 3 und der Druckminderungsturbine 7 liegt, wo das Kältefluid bei einem hohen Druck ist (zum Beispiel zwischen 120 und 130 bar für R744). Der Umgehungszweig A ermöglicht insbesondere eine Umgehung des Innenwärmetauschers 13 zwischen einem ersten Anschlusspunkt 103, der zwischen dem ersten Wärmetauscher 5 und dem Innenwärmetauscher 13 liegt, und einem zweiten Anschlusspunkt 104, der zwischen dem Innenwärmetauscher 13 und der Druckminderungsturbine 7 liegt.
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Um den Weg des Kältefluids zu steuern, kann der Klimakreis 1 ein Mittel 15 zur Umleitung des Kältefluids zum Innenwärmetauscher 13 oder zum Umgehungszweig A aufweisen.
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Das Mittel 15 zur Umleitung des Kältefluids kann ein Dreiwegeventil sein, das stromaufwärts des Innenwärmetauschers 13 auf Höhe des ersten Anschlusspunkts 103 angeordnet ist, wie dies in den 1 und 2 veranschaulicht ist.
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Wie in 3 gezeigt, weist das Mittel 15 zur Umleitung des Kältefluids ein erstes Sperrventil auf, das zwischen dem ersten Anschlusspunkt 103 und dem Innenwärmetauscher 13 angeordnet ist, sowie ein zweites Sperrventil, das am Umgehungszweig A angeordnet ist.
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Das Umleitungsmittel 15 kann zum Beispiel über eine (nicht dargestellte) Steuereinheit gesteuert werden, die in Abhängigkeit von der Messung verschiedener Parameter, wie etwa der Drücke des Kältefluids, der Temperatur des Fluids am Ausgang der verschiedenen Wärmetauscher, insbesondere am Ausgang des ersten Wärmetauschers 5, bestimmt, ob die Verwendung des Innenwärmetauschers 13 zum Erreichen der Sollwerte des Nutzers gefordert ist.
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Unter den extremen Bedingungen, bei denen eine Temperatur des Kältefluids am Ausgang des ersten Wärmetauschers 5 bei einem Wert zwischen 55 und 65°C gemessen wird, ist zum Beispiel die Verwendung des Innenwärmetauschers 13 erforderlich, um eine ausreichende Luftkühlung auf Höhe des zweiten Wärmetauschers 9 zu ermöglichen. Das Umleitungsmittel 15 leitet das Kältefluid in den Innenwärmetauscher 13 um. Für niedrigere Temperaturen am Ausgang des ersten Wärmetauschers hat die Verwendung des Innenwärmetauschers 13 eine negative Auswirkung auf den Leistungskoeffizienten des Klimakreises 1, und das Umleitungsmittel 15 leitet das Kältefluid dann zum Umgehungszweig.
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Unter derartigen Bedingungen kann der Innenwärmetauscher eine Wärmeübertragungsleistung haben, die zwischen 20 und 40% beträgt, damit er wirksam ist, wodurch seine Größe reduziert und somit sein Platzverbrauch begrenzt werden können.
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Das Umleitungsmittel 15 kann auch «passiv» sein, d. h. es misst selbst die Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers 5, zum Beispiel mit Formgedächtnismaterialien oder mit Kugeln, die bei Kältefluidtemperaturen zwischen 55 und 65°C dazu führen, dass das Umleitungsmittel 15 das Kältefluid in den Innenwärmetauscher 13 umleitet.
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Der Klimakreis 1 kann auch einen Entfeuchtungsspeicher 11 aufweisen, der stromaufwärts des Innenwärmetauschers 13 und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 9 angeordnet ist.
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Wie in 3 veranschaulicht, kann der Entfeuchtungsspeicher 11 im Innenwärmetauscher 13 integriert sein, wodurch der Platzverbrauch dieser beiden Komponenten begrenzt werden kann.
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Wenn der Entfeuchtungsspeicher 11 im Innenwärmetauscher 13 integriert ist, liegt der Umgehungszweig A vorzugsweise auf der Hochdruckseite des Klimakreises 1.
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Es ist somit ersichtlich, dass es aufgrund des Vorhandenseins des Umgehungszweigs A nun möglich ist, einen Innenwärmetauscher 13 unter bestimmten Bedingungen, insbesondere unter extremen Bedingungen zu verwenden, um die Vorgaben des Nutzers zu erreichen, und bei sogenannten normalen Bedingungen den Innenwärmetauscher 13 zu umgehen, um zu verhindern, dass dieser den Leistungskoeffizienten des Klimakreises beeinträchtigt.
