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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteilung des Kühlmittels in einem Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Kühlmittelkreisläufen sowie einem Kältemittelkreislauf. Der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildete Kühlmittelkreislauf weist zwei Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums wird das Temperaturniveau des Kühlmittels in den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern durch einen Kältemittelkreislauf bereitgestellt. Der Kältemittelkreislauf weist typischerweise mindestens einen Verdichter, ein Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels von einem hohen auf ein niederes Druckniveau, einen als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie einen als Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs auf.
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Für den Komfort der Insassen ist ein Fahrzeuginnenraum, je nach Umgebungstemperatur, zu heizen oder zu kühlen bzw. zu entfeuchten.
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Besondere Herausforderungen stellen sich beispielsweise beim Heizen von Elektrofahrzeugen, da hier die Abwärme eines Motors nicht in dem bei Verbrennungsmotoren üblichen Umfang zur Verfügung steht. Hierbei eingesetzte Wärmepumpensysteme mit Sekundärkreislauf, die beispielsweise mit dem Kältemittel R744 arbeiten, sind u.U. im Hinblick auf ihre Heizleistung begrenzt.
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Bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip der indirekten Wärmeübertragung wird außerdem die Effizienz des Gesamtsystems im Wärmepumpenbetrieb maßgeblich von der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager abhängig. Bei einer Ausbildung des Wärmeübertragers als Gegenstrom-Wärmeübertrager kann das Kältemittel im Idealfall bis zur Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Wärmeübertrager abgekühlt werden. Bei ansteigender Vorlauflauftemperatur des Kühlmittels erhöht sich folglich auch die Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager und damit verringert sich die übertragene Enthalpiedifferenz in dem Wärmetauscher.
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Insbesondere beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Wärmepumpenbetrieb sind bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Bereich von -15°C bis -20°C Vorlauftemperaturen des Kühlmittels im Bereich von etwa 55°C bis 60°C anzustreben, um den Fahrgastraum in möglichst kurzer Zeit auf angenehme Temperaturen konditionieren zu können. Bei diesem Betrieb weist das Kältemittel am Austritt des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers im Idealfall eine Temperatur von über 55°C auf. Um das Klimatisierungssystem jedoch effizienter betrieben zu können, ist das Kältemittel auf Temperaturen weit unterhalb der Vorlauftemperatur des Kühlmittels abzukühlen um eine möglichst große Enthalpiedifferenz erzielen zu können.
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Der vorangehend beschriebene Kühlmittelkreislauf wird in der Regel bei einer Kühlmitteltemperatur oberhalb des Umgebungstemperaturniveaus betrieben und dient sowohl zum Heizen des Fahrzeuginnenraums als auch zur Wärmeabgabe an die Umgebung. Ähnliche Herausforderungen wie oben beschrieben bestehen bei einem parallelen Kühlmittelkreislauf, der bei niedriger Temperatur (in der Regel unterhalb des Umgebungsniveaus) betrieben wird, und in erster Linie dem Kühlen des Fahrzeuginnenraums oder von Fahrzeugkomponenten dient. Hier wird das Kühlmittel in einem weiteren Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager durch das Kältemittel gekühlt, und je höher die Eintrittstemperatur des Kühlmittels ist, umso höher die Leistungszahl (COP) der Heiz-/Kühl-Einrichtung.
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Bei den Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern besteht außerdem die Anforderung, dass die stromabwärts der Wärmeübertrager konditionierte Luft nur geringe Temperaturunterschiede aufweisen darf, um den Komfort für die Insassen nicht zu beeinträchtigen. Diese Anforderung führt zu einem erlaubten maximalen Temperaturunterschied des Kühlmittels zwischen Ein-und Austritt aus den Wärmeübertragern von etwa 10 bis 15 K .
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Stand der Technik
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Ein herkömmliches Wärmepumpensystem ist in der
US 7,063,137 B2 beschrieben. Dieses kann jedoch die oben genannten Probleme nicht beheben.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungszahl bzw. den COP eines Wärmepumpensystems mit einem Sekundärkreislauf zu verbessern, ohne den Komfort für die Fahrzeuginsassen zu beeinträchtigen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Wärmepumpensystem und demzufolge weist das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug zumindest zwei Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf, die zum Heizen und/oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums von Luft durchströmt werden. Ferner sind zumindest zwei voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe vorgesehen, von denen zumindest einer unabhängig von dem anderen Kühlmittelkreislauf mit einem, zwei oder mehr Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern verbindbar ist, so dass diese bei einer Verbindung mit zwei oder mehr Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern nacheinander durchströmt werden, und der andere Kühlmittelkreislauf mit zumindest einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager verbindbar ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die beiden Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager im Fall des Heizens und/oder Kühlens nacheinander zu durchströmen, so dass, je nach Betriebszustand, niedrigere Eintrittstemperaturen des Kühlmittels beim Eintritt in den bezogen auf das Kältemittel hochdruckseitigen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager oder höhere Eintrittstemperaturen des Kühlmittels beim Eintritt in den auf das Kältemittel bezogen niederdruckseitigen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in denen der Wärmeübergang vom oder zu dem Kältemittel erfolgt, erreichbar sind. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass sich das Kühlmittel durch die Durchströmung von zwei Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern nacheinander im Kühlmodus stärker erwärmt, und im Heizmodus stärker abkühlt. Dieser Effekt kann zusätzlich verstärkt werden, da durch die serielle Durchströmung der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager gleichzeitig der Kühlmittelvolumenstrom reduziert werden kann, ohne die luftseitige Temperaturdifferenz stromabwärts des letzten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zu erhöhen.
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Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung einen Betrieb, bei dem ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager die Luft kühlt, und der andere erwärmt, um die Luft zunächst zu entfeuchten und dann zu erwärmen, d.h. es kann ein sogennanter Nachheiz- bzw. Reheat-Betrieb realisiert werden.
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Es sei darüber hinaus betont, dass das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem von Details des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel dem verwendeten Kältemittel, der Anzahl der Verdampfer, Kühler oder Kondensatoren unabhängig ist. Insbesondere kann auch eine Kühlung für die Batterie eines Elektrofahrzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus kann es weitere Wärmequellen und/oder Wärmesenken geben. Wie im Nachfolgenden genauer ausgeführt, können die für die beschriebene Verteilung und die angegebenen Umschaltmöglichkeiten erforderlichen Ventile in ein einziges Bauteil integriert werden.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Wie bereits angedeutet, kann die Verbindung zwischen den Kühlmittelkreisläufen und den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern in einem einzigen Bauteil in Form eines Verteilers ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind zumindest zwei, besonders bevorzugt drei 3/2-Wege-Ventile vorgesehen, die jeweils durch zwei Absperrventile ersetzt sein können.
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Hierbei werden besonders vielfältige Betriebsmöglichkeiten erreicht, wenn ein 3/2-Wege-Ventil einen unmittelbaren Zufluss seitens eines ersten Kühlmittelkreislaufs und einen Abfluss in Richtung des anderen Kühlmittelkreislaufs aufweist, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren genauer beschrieben wird.
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Ferner ist zumindest ein 3/2-Wege-Ventil vorgesehen, das einen unmittelbaren Zufluss seitens eines Wärmetauschers, einen Abfluss in Richtung des einen Kühlmittelkreislaufs und einen Abfluss in Richtung des anderen Kühlmittelkreislaufs aufweist.
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Bevorzugt ist ferner zumindest ein Absperrventil oder alternativ ein Rückschlagventil vorgesehen, das einen Rückfluss von Kühlmittel zu einer Pumpe eines Kühlmittelkreislaufs verhindert. Dieses Ventil wird optional für den Fall vorgehalten, dass die erwähnte Pumpe bei Nichtbetreiben nicht selbstdichtend ausgelegt ist.
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Zu sämtlichen Ventilen sei betont, dass diese nicht nur in einem Verteiler als einziges Bauteil vorgesehen sein können, sondern zumindest teilweise an anderer Stelle in den beiden Kühlmittelkreisläufen vorgesehen sein können.
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Im Hinblick auf die Wärmetauscher zum Kühlen oder Erwärmen der Luft im Fahrzeuginnenraum wird bevorzugt, dass zumindest die Wärmetauscher, die zur Kühlung/Entfeuchtung der Luft dienen, eine Drainage für der Innenraumluft entzogene Feuchtigkeit aufweisen.
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Im Hinblick auf einen effizienten Aufbau bietet es ferner Vorteile, wenn beide Kühlmittelkreisläufe mit einem gemeinsamen Kältemittelkreislauf verbunden sind und ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf und beiden Kühlmittelkreisläufen stattfindet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Heizen;
- 2 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Kühlen;
- 3 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Entfeuchten;
- 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Heizen;
- 5 die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Kühlen;
- 6 die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Entfeuchten;
- 7 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Heizen;
- 8 die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Kühlen;
- 9 die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems beim Entfeuchten.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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Zu dem in 1 gezeigten Wärmepumpensystem sei zunächst unter Bezugnahme auf den linken, dort mittleren Bereich erläutert, dass ein Kältemittelkreislauf, beispielsweise mit R 744 als Kältemittel vorgesehen ist, der einen Kompressor Comp, einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager WGC zum Erwärmen des Kühlmittels in einem ersten Kühlmittelkreislauf 14 und einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Chiller zum Abkühlen eines Kühlmittels in einem zweiten Kühlmittelkreislauf 16 aufweist. Ferner sind ein Expansionsventil EXV und ein interner Wärmeübertrager mit integriertem Sammler Accu/IHX vorgesehen. Jeder im linken Bereich oben und unten dargestellte Kühlmittelkreislauf weist einen (Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager) Radiator LTR und zwei Pumpen auf, von denen eine unmittelbar stromaufwärts des Radiators und die andere in einer Ableitung in Richtung der in der Figur rechts dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 10 und 12 vorgesehen ist, die nachfolgend der Einfachheit halber als Wärmeübertrager bezeichnet werden. Es sei erwähnt, dass der erste, stets stromaufwärtige Wärmeübertrager 10 in erster Linie zum Kühlen/Entfeuchten der Luft, und der zweite, stets stromabwärtige Wärmeübertrager 12 in erster Linie zum Aufheizen der Luft dient. Die beiden Wärmeübertrager 10, 12 gehören zu einem als HVAC bzw. Klimagerät bezeichneten Heiz-, Ventilations- und Kühlsystem. Mit Coolant Distributor ist ein Kühlmittelverteiler der gezeigten Ausführungsform bezeichnet und „System“ bezeichnet die Kombination aus dem Kältemittel- und den beiden Kühlmittelkreisläufen. Zu sämtlichen Figuren sei ferner erwähnt, dass Pfeile die Strömung jeweils in Pfeilrichtung anzeigen.
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In vorteilhafter Weise können mit besonders hohem Wirkungsgrad beide Wärmeübertrager 10, 12 zum Heizen eingesetzt werden, so dass in vorteilhafter Weise eine besonders umfangreiche Abkühlung des Kühlmittels in dem ersten, in der Figur oberen Kühlmittelkreislauf 14 erfolgt, wenn die Strömung des Kühlmittels in diesem Kühlmittelkreislauf 14 wie folgt erfolgt.
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Die in der Zuleitung zu dem Wärmeübertrager 12 vorgesehene Pumpe fördert das Kühlmittel in Richtung dieses Wärmeübertragers 12, und mittels eines mit 3 bezeichneten 3/2-Wege-Ventils strömt das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers 12 weiter in Richtung des anderen Kühlmittelkreislaufs 16 und dort durch den ersten Wärmeübertrager 10. Mittels eines mit 1 bezeichneten 3/2-Wege-Ventils erfolgt die Rückführung zu dem ersten Kühlmittelkreislauf 14, insbesondere durch den Wärmeübertrager WGC zur erneuten Erwärmung des Kühlmittels. Der Radiator LTR wird in diesem Fall nicht durchströmt. Ferner durchströmt das Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 16 lediglich die Pumpe, den Radiator LTR und den Kühler, gelangt jedoch nicht in Richtung der Wärmeübertrager 10, 12.
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Dadurch, dass die beiden Wärmeübertrager 12, 10 nacheinander durchströmt werden, können die oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Effekte erreicht werden. Die Durchströmung der Wärmeübertrager 10, 12 mit Luft einerseits und dem Kühlmittel andererseits kann als Gegen- oder Querströmung oder Kreuz-/Gegenströmer ausgeführt sein. Die in den Innenraum des Fahrzeugs geleitete Luft wird demnach in zwei Stufen erwärmt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Vollständigkeit halber zu erwähnen, dass ein Absperrventil oder Rückschlagventil 4 vorgesehen ist, das optional ist und einen Rückfluss des Kühlmittels zu der Pumpe verhindert, was für den Fall vorteilhaft ist, dass diese Pumpe im ausgeschalteten Zustand nicht dicht ist und somit einen ungewollten Bypass ermöglichen würde.
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2 zeigt den Fall einer zweistufigen Kühlung der durch die Wärmetauscher 10 und 12 geführten Luft, indem das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16 zunächst, durch die geeignete Stellung des 3/2-Wege-Ventils 2 in Richtung des ersten Kühlmittelkreislaufs 14, dort durch den zweiten Wärmeübertrager 12, durch eine Stellung des 3/2-WegeVentils 3, die der in 1 entspricht, zurück in Richtung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16, dort durch den ersten Wärmeübertrager 10 und von dort durch das entsprechend geschaltete 3/2-Wege-Ventil 1 in Richtung der Pumpe des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16 geleitet wird. Entsprechend, jedoch umgekehrt zu dem oben beschriebenen Fall kann somit eine zweistufige Kühlung der in den Fahrzeuginnenraum zu leitenden Luft, und eine besonders umfangreiche Erwärmung des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 16 erreicht werden. Der Radiator LTR des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16 wird in diesem Fall nicht durchströmt, und das Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelkreislauf 14 strömt lediglich durch den Wärmeübertrager WGC, die eine Pumpe und den Radiator LTR, jedoch nicht in Richtung der Wärmeübertrager.
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In dem in 3 gezeigten Entfeuchtungsbetrieb strömt das Kühlmittel jeweils lediglich in „seinem“ Kühlmittelkreislauf. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 14 durch den zweiten Wärmeübertrager 12 geleitet und erwärmt die Luft, während das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16 durch den ersten Wärmeübertrager 10 geleitet wird und die Luft abkühlt. Durch eine geeignete Stellung der ganz rechts erkennbaren Klappen 18, die bei den Betriebsarten der 1 und 2 beide geschlossen sind, um eine Strömung durch den zweiten Wärmeübertrager 12 zu erreichen, kann bei der Betriebsweise von 3 eine Vermischung von gekühlter und erwärmter Luft erfolgen. Hierdurch wird die Luft in vorteilhafter Weise entfeuchtet und die Temperatur wird vergleichmäßigt. Bei dieser Betriebsart sind mit anderen Worten die in der Figur in vertikaler Richtung zu erkennenden Verbindungen zwischen den beiden Kühlmittelkreisläufen 14, 16 nicht durchströmt. Bei der in 3 gezeigten Betriebsart strömt das Kühlmittel in dem jeweiligen Kühlmittelkreislauf 14, 16 auch durch den Radiator LTR.
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Die Ausführungsform der 4 bis 6 unterscheidet sich von derjenigen der 1 bis 3 durch Weglassen des in den 1 bis 3 mit 2 bezeichneten 3/2-Wege-Ventils und des Absperrventils 4. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Kosten eingespart werden. Anstelle des Ventils 2 ist ein optionales Absperrventil 2a vorgesehen, das einen Rückfluss zu der Pumpe des zweiten Kühlmittelkreislaufs 16 verhindert. Die Aufgabe des Absperrventils 2a kann jedoch auch durch die in Richtung des Wärmeübertragers 10, und nicht unmittelbar stromaufwärts des Radiators LTR angeordnete Pumpe übernommen werden. Der in 4 dargestellte Heizbetrieb unterscheidet sich nicht von demjenigen gemäß 1, so dass darauf verwiesen werden kann.
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Der in 5 gezeigte Kühlbetrieb unterscheidet sich insoweit, als das Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 16 lediglich durch den ersten Wärmeübertrager 10 strömt, und somit lediglich eine einstufige Kühlung erfolgt. Der in 6 gezeigte Entfeuchtungsbetrieb entspricht dem in 3 gezeigten und wird demzufolge nicht erneut beschrieben.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß 7 bis 9 ist das in den 1 bis 6 mit 1 bezeichnete 3/2-Wege-Ventil weggelassen, so dass, wie in 7 gezeigt, der Heizbetrieb lediglich einstufig erfolgt, und insoweit keine Strömung des Kühlmittels aus dem ersten Kühlmittelkreislauf 14 durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 16 erfolgt. Wie in 8 erkennbar, ist jedoch weiterhin ein zweistufiger Kühlbetrieb möglich, der insoweit 2 entspricht und nicht erneut erläutert werden muss. Dies gilt gleichermaßen für den ebenfalls möglichen Entfeuchtungsbetrieb gemäß 9, der demjenigen der 3 und 6 entspricht. Im Vergleich zu dem Absperrventil 2a der 4 bis 6 ist bei der Ausführungsform der 7 bis 9 ein Absperrventil 4 vorgesehen, um einen Rückfluss zu der Pumpe des ersten Kühlmittelkreislaufs 16 zu verhindern.
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Wenngleich in den Figuren zwei Wärmeübertrager 10, 12 dargestellt sind, können auch mehr Wärmeübertrager vorgesehen sein. Ferner können mehrere Wärmepumpensysteme mit jeweils zwei oder mehr Wärmeübertragern vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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