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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 2.
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Eine gattungsbildende
DE 102 59 827 B3 beschreibt eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem ersten Kältemittelkreislauf mit einem ersten Verdampfer, einem zweiten Kältemittelkreislauf mit einem zweiten Verdampfer, wobei ein Kältemittelverdichter zusammen mit einem Kondensator in einem gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt für den ersten Kältemittelkreislauf und dem zweiten Kältemittelkreislauf angeordnet sind. Die Kopplung der beiden Kältemittelkreisläufe erfolgt auf der Niederdruckseite des Kältemittelverdichters mittels einer Venturidüse, so dass sowohl Kältemittel aus dem ersten Kältemittelkreislauf und als auch aus dem zweiten Kältemittelkreislauf dem Kältemittelverdichter zugeführt werden und dadurch beide Kältemittelkreisläufe gleichzeitig betrieben werden können, wobei durch den Einsatz der Venturidüse in dem zweiten Kältemittelkreislauf ein geringerer Druck erzeugt wird als in dem ersten Kältemittelkreislauf. Dem ersten und zweiten Verdampfer ist jeweils ein Expansionsorgan vorgeschaltet.
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Aus der weiteren gattungsbildenden
DE 199 17 811 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem für den vorderen Sitzbereich vorgesehenen ersten Kältemittelkreislauf und einem für den hinteren Sitzbereich vorgesehenen zweiten Kältemittelkreislauf bekannt. Der erste Kältemittelkreislauf besteht aus einem von einer Fahrzeugantriebsquelle angetriebenen ersten Kältemittelverdichter sowie einem Kondensator und einem Verdampfer. Der zweite Kältemittelkreislauf besteht aus einem von einer von der Fahrzeugantriebsquelle unabhängigen Antriebsquelle angetriebenen zweiten Kältemittelverdichter mit einem Kondensator und einem Verdampfer. Zur Anpassung der Kälteleistung an die Anzahl der Passagiere kann entweder nur der erste Kältemittelkreislauf, nur der zweite Kältemittelkreislauf oder aber beide Kältemittelkreisläufe zusammen betrieben werden.
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An die Kälteanlagen moderner Klimaanlagen von Fahrzeugen werden zunehmend Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung erhöhter Kälteleistungen gestellt. Zusätzliche Kälteleistung wird von Kälteanlagen zur Konditionierung von Bauteilen, wie elektrische Komponenten und elektrische Energiespeichereinheiten gefordert. Eine Steigerung der Kälteleistung bspw. mittels größerer Kältemittelverdichter zur Anhebung der Fördermenge an Kältemittel ist möglich, jedoch führt dies in nachteiliger Weise zu größeren Wärmeübertragern hinsichtlich der Abfuhr der Zusatzwärme an die Umgebung und zur Aufnahme von Wärme aus abzukühlenden Bauteilen. Weiterhin führt der Einsatz größerer Verdichter zu größeren Strömungsquerschnitten der Kältemittelleitungen, um eine verlustfreie Förderung der Massenströme des Kältemittels sicherzustellen.
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Die
DE 10 2009 056 085 A1 beschreibt eine Klimaanlage in einem Fahrzeug mit einer als Antrieb eingesetzten elektrischen Maschine. Diese Klimaanlage umfasst neben einem kältemittelführenden Kältekreislauf, wenigstens einen Kühlkreis, in welchem eine zu kühlende Komponente des Fahrzeugs eingebunden ist. Mittels eines inneren Wärmeübertragers wird eine thermische Kopplung zwischen dem Kältekreislauf und dem Kühlkreis realisiert.
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Aus der
DE 10 2015 212 550 A1 ist ein Kältekreislauf für ein Fahrzeug mit zwei parallel geschalteten Verdampferzweigen mit jeweils zugeordneten Expansionsventilen bekannt. Einem der Verdampferzweige ist stromabwärts ein Drucksteuerelement angeordnet, welches zur selektiven Steuerung dieses Verdampferzweiges dient. Dadurch können in den beiden Verdampfern unabhängig voneinander unterschiedliche Drucklagen des Kältemittels eingestellt werden, wodurch es möglich wird auf unterschiedliche Kühlanforderungen an den beiden Verdampfern spezifisch zu reagieren und in jedem der Verdampferzweige genau die angeforderte Kühlleistung bereitzustellen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Konzept für eine Kälteanlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Anforderung eines erhöhten Leistungsbedarfs erfüllt werden kann, ohne nachteilige Auswirkungen auf Standardausführungen der beteiligten Komponenten und um möglichst viele solcher bekannten Komponenten in die Kälteanlage übernehmen zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Eine solche Kälteanlage für ein Fahrzeug mit
- - einem ersten Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan,
- - einem zweiten Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan,
- - mindestens einem Kältemittelverdichter, und
- - mindestens einem Kondensator oder Gaskühler
zeichnet sich gemäß der erstgenannten Lösung erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - der Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs ein Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager ist,
- - der erste Kältemittelkreislauf einen als Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager ausgebildeten weiteren Verdampfer aufweist, und
- - zur Kopplung des ersten und zweiten Kältemittelkreislaufs der Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs und der Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager des zweiten Kältemittelkreislaufs mittels eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs kühlmittelseitig fluidverbunden sind.
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Mit einer solchen Kopplung der Kühlmittelkreise der beiden Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager lässt sich die aus beiden Kältemittelkreisläufen maximal verfügbare Kälteleistung dem mindestens einen Kühlmittelkreislauf zur Verfügung stellen.
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Die zweitgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - der Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs ein Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager ist, und
- - zur Kopplung des ersten und zweiten Kältemittelkreislaufs die Reihenschaltung des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers des zweiten Kältemittelkreislaufs mit einem Expansionsorgan der Reihenschaltung des Verdampfers des ersten Kältemittelkreislaufs mit demselben zugeordneten Expansionsorgan kältemittelseitig parallel fluidverbunden sind.
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Mit einer solchen Kopplung der Kältemittelkreise mittels der beiden Verdampfer lässt sich die aus beiden Kältemittelkreisläufen maximal verfügbare Kälteleistung dem zweiten Kältemittelkreislauf zur Verfügung stellen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung der zweitgenannten Lösung sieht vor, dass in dem Leitungsabschnitt, welcher das Expansionsorgan des Verdampfers des ersten Kältemittelkreislaufs mit dem Expansionsorgan des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers des zweiten Kältemittelkreislaufs verbindet, ein weiteres Expansionsorgan angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass der gesamte Kältemittelmassenstrom aus dem Verdampfer des ersten Kältemittelkreises direkt dem Verdampfer des Kältemittelkreislaufes zur Verfügung gestellt werden kann. Um dabei die Innenraumklimatisierung zu deaktivieren, wird das dem Innenraumverdampfer (Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufes) zugeordnete Expansionsorgan geschlossen und der Kältemittelmassenstrom des ersten Kreises über das weitere Expansionsorgan im den Kondensatoren bzw. Gaskühlern nachgeschalteten Verbindungsabschnitts dem Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs zugeführt. Nach Durchströmen des als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers ausgebildeten Verdampfers des zweiten Kältemittelkreislaufs wird der Massenstrom wieder auf beide Kreise aufgeteilt. Ein Rückschlagventil verhindert das Einströmen in den Innenraumverdampfer (Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufs), größere Leistungsquerschnitte vor und nach dem Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs sollen zur Eindämmung der Druckverluste aufgrund des erhöhten Kältemittelmassenstroms beitragen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gemäß den beiden erfindungsgemäßen Lösungen sieht für beide Kältemittelkreisläufe nur einen einzigen Kältemittelverdichter als zentralen Kältemittelverdichter vor, der in einem gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt für den ersten Kältemittelkreislauf und den zweiten Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Somit kann der erste und zweite Kältemittelkreislauf jeweils separat oder aber gemeinsam betrieben werden. Weiterbildungsgemäß ist in dem gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt ein dem ersten zentralen Kältemittelverdichter parallel geschalteter weiterer Kältemittelverdichter angeordnet. Mit dieser Aufteilung des zentralen Kältemittelverdichters in zwei einzelne Kältemittelverdichter wird erreicht, dass im Gegensatz zu einem zentralen Kältemittelverdichter mit angepassten und angehobenem Hubvolumen zur Umsetzung der gesteigerten Förderleistungsanforderungen können mindestens zwei bekannte und verfügbare Verdichter mit jeweils reduzierter Förderleistung herangezogen werden können. Im Bedarfsfall kann mindestens einer der zusätzlichen Verdichter abgeschaltet und inaktiv gesetzt werden, bspw. wenn ausreichend Kälteleistung mit einem Bauteil zur Verfügung gestellt werden kann. Weiter ist es damit möglich speziell auf geringe Kälteleistungsanforderungen zu reagieren, da bei einer festen minimalen Drehzahlansteuerung des Verdichters bei geringem Fördervolumen auch nur eine geringe Kälteleistung die Folge ist. Ein Verdichterbetrieb im 2-Punkt-Regelmodus (On-Off-Modus) greift erst verspätet, das Bauteil selber wird geringer beansprucht.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung gemäß den beiden erfindungsgemäßen Lösungen sieht vor, dass sowohl in dem ersten Kältemittelkreislauf ein Kältemittelverdichter als auch in dem zweiten Kältemittelkreislauf ein weiterer Kältemittelverdichter angeordnet ist. Daraus resultiert eine Kälteanlage mit zwei Kältemittelkreisläufen, welche unabhängig voneinander betreibbar sind.
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Ferner ist nach weiteren Ausgestaltung der Erfindung sowohl in dem ersten Kältemittelkreislauf ein Kondensator oder Gaskühler als auch in dem zweiten Kältemittelkreislauf ein weiterer Kondensator oder Gaskühler angeordnet.
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Die drittgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - der Kältemittelverdichter in einem gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt für den ersten Kältemittelkreislauf und den zweiten Kältemittelkreislauf angeordnet ist,
- - in dem ersten Kältemittelkreislauf ein Kondensator oder Gaskühler angeordnet ist,
- - in dem zweiten Kältemittelkreislauf ein weiterer Kondensator oder Gaskühler angeordnet ist, und
- - der Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs ein Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager ist.
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Eine solche Kälteanlage besteht damit aus zwei Kältemittelkreisläufen, nämlich einem ersten Kältemittelkreislauf als Klimakreis zur Konditionierung des Fahrzeuginnenraums und einem zweiten Kältemittelkreislauf als Bauteilkreis zur Konditionierung von Komponenten, wie bspw. elektronische und elektrische Komponenten sowie elektrische Energiespeicher. Der Vorteil einer Aufsplittung eines Kältemittelkreislaufs in zwei solcher Kältemittelkreisläufe besteht darin, dass abgesehen vom Kältemittelverdichter nur bekannte Standardbauteile wie Wärmeübertrager, Ventile und Klimaleitungen zum Einsatz kommen können. Der Kältemittelverdichter muss entweder im Rahmen seines Hub- bzw. seines Fördervolumens konstruktiv angepasst oder seine Förderleistung durch Anheben der Drehzahlobergrenzen gesteigert werden.
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Schließlich ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass der Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufs ein Kältemittel-Luftwärmeübertrager ist.
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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 einer Kälteanlage mit einem ersten und zweiten Kältemittelkreislauf und einer kältemittelseitigen Koppelung über einen gemeinsamen Kältemittelverdichter,
- 2 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage gemäß 1 mit einer Kopplung mittels eines Kühlmittelkreislaufs,
- 3 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage gemäß 1 mit einer weiteren kältemittelseitigen Kupplung und einem zentralen Expansionsorgan für den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 4 eine schematische Darstellung einer Variante der Kälteanlage gemäß 3 und zwei separaten Expansionsorganen für den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 5 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage gemäß 1 mit parallel geschalteten Kältemittelverdichtern,
- 6 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage mit einem ersten und zweiten Kältemittelkreislauf mit jeweils einem zugehörigen Kältemittelverdichter und einer Kopplung mittels eines Kühlmittelkreislaufs, und
- 7 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage mit einem ersten und zweiten Kältemittelkreislauf mit jeweils einem zugehörigen Kältemittelverdichter gemäß 6 und einer kältemittelseitigen Kupplung.
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Die in den 1 bis 5 dargestellten Kälteanlagen 10 eines Fahrzeugs sind mit einer identischen Grundstruktur aufgebaut und bestehen jeweils aus einem ersten Kältemittelkreislauf 1 und einem zweiten Kältemittelkreislauf 2, wobei die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 einen gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt L mit einem Kältemittelverdichter 3 aufweisen. Damit weisen diese beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 einen gemeinsamen Kältemittelverdichter 3 auf, wobei in der Kälteanlage 10 gemäß 5 diesem gemeinsamen Kältemittelverdichter 3 für die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 ein weiterer Kältemittelverdichter 3.0 parallel geschaltet ist.
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Ferner umfasst sowohl der erste Kältemittelkreislauf 1 als auch der zweite Kältemittelkreislauf 2 einen als Kältemittel-Luftwärmeübertrager ausgebildeten Verdampfer 1.1 bzw. einen als Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 ausgebildeten Verdampfer, einen Kondensator oder Gaskühler 1.3 bzw. 2.3, ein dem Verdampfer 1.1 bzw. dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 zugeordnetes Expansionsorgan 1.10 bzw. 2.10 und einen inneren Wärmeübertrager1.4 bzw. 2.4.
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Das Zusammenführen der beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 erfolgt mittels eines niederdruckseitig am Kältemittelverdichter 3 angeordneten Anschlussblockes 3.3 und mittels eines hochdruckseitig am Kältemittelverdichter 3 angeordneten weiteren Anschlussblockes 3.4, die jeweils querschnittsoptimiert zur Reduktion von Druck- und Strömungsverlusten ausgeführt sind. Durch Steuerung von Absperrventilen 1.6 und 2.6 kann entweder nur einer der beiden Kältemittelkreisläufe 1 oder 2 oder können beide Kältemittelkreisläufe 1 und 2 zusammen betrieben werden.
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Bei offenem Absperrventil 1.6 des ersten Kältemittelkreislaufs 1 durchströmt das Kältemittel in der aufgeführten Reihenfolge ausgehend von dem Kältemittelverdichter 3 den Anschlussblock 3.4, das Absperrventil 1.6, den Kondensator oder Gaskühler 1.3, den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 1.4, das als Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 1.10, den Verdampfer 1.1, den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 1.4, ein Rückschlagventil 1.5 und wird anschließend über den Anschlussblock 3.3 wieder dem Kältemittelverdichter 3 zugeführt.
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Bei offenem Absperrventil 2.6 des zweiten Kältemittelkreislaufs 1 durchströmt das Kältemittel in der aufgeführten Reihenfolge ausgehend von dem Kältemittelverdichter 3 den Anschlussblock 3.4, das Absperrventil 2.6, den Kondensator oder Gaskühler 2.3, den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 2.4, das als Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 2.10, den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1, den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 2.4, ein Rückschlagventil 2.5 und wird anschließend über den Anschlussblock 3.3 wieder dem Kältemittelverdichter 3 zugeführt.
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Ist entweder der erste Kältemittelkreislauf 1 oder der zweite Kältemittelkreislauf 2 inaktiv, wird dieser mittels des Rückschlagventils 1.5 bzw. 2.5 gesichert, um Kältemittel-Umverlagerungen durch Rückströmung in die Wärmeübertrager 1.1 bzw. 2.2 zu vermeiden. Ferner ist bei geschlossenem Absperrventil 1.6 bzw. 2.6 eine Absaugung von Kältemittel aus dem inaktiven Kältemittelkreislauf 1 oder 2 am Austritt des Kältemittelverdichters 3 bei offenem Expansionsorgan 1.10 bzw. 2.10 möglich.
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Sind beide Absperrventile 1.6 und 2.6 in den offenen Zustand gesteuert, werden beide Kältemittelkreisläufe 1 und 2 gleichzeitig betrieben. Hierzu ist der Kältemittelverdichter 3 so ausgeführt, dass zum Betreiben der beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 eine erhöhte Fördermenge mit angepasster Drehzahlobergrenze oder die erhöhte Fördermenge direkt durch angepasstes Fördervolumen oder durch beide Maßnahmen gekoppelt bereitgestellt wird.
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Der Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 ist als Chiller ausgeführt, dessen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung einer als Hochvoltspeicher ausgeführten elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 dient.
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Damit dient der erste Kältemittelkreislauf 1 als Klimakreis zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums mittels des Verdampfers 1.1 und der zweite Kältemittelkreislauf 2 als Bauteile- oder Komponentenkreis zur Konditionierung von elektrischen oder elektronischen Komponenten.
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Die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 der Kälteanlage 10 gemäß den 1 bis 5 können auch jeweils mit einem Kältemittelspeicher als Niederdruck- oder Hochdrucksammler ergänzt werden. Auf die beiden inneren Wärmeübertrager 1.4 und 2.4 kann gegebenenfalls auch verzichtet werden.
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Der erste Kältemittelkreislauf 1 der Kälteanlage 10 gemäß den 1 bis 5 kann auch um einem weiteren Verdampfer ergänzt werden, welcher bspw. als Heckverdampfer dem als Frontverdampfer eingesetzten Verdampfer 1.1 bspw. mit einem weiteren Expansionsorgan parallel geschaltet ist.
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Die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 der Kälteanlage 10 gemäß den 1 bis 5 können ferner auch mit einer Wärmepumpenfunktion versehen werden, indem die Umgebungsluft mittels der Kondensatoren oder Gaskühler 1.3 und 2.3 als Wärmequelle und/oder der mit Kühlmittel beaufschlagte Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 als Wärmequelle eingesetzt werden. Hierbei wird die Wärme von den in dem Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers angeordneten elektrischen und elektronischen Komponenten geliefert.
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Die als Umgebungs-Wärmeübertrager dienenden Kondensatoren oder Gaskühler 1.3 und 2.3 können unterschiedlich zueinander positioniert werden. Je nach Anwendungsfall können diese Komponenten hintereinander, nebeneinander oder übereinander angeordnet werden.
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Nachfolgend werden die Kälteanlagen 10 der 1 bis 5 im Detail erläutert.
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Die Kälteanlage 10 gemäß 1 weist die oben erläuterte Grundstruktur auf und besteht aus den beiden Kältemittelkreisläufen 1 und 2 mit dem einen Kältemittelverdichter 3 aufweisenden gemeinsamen Kältemittelkreislaufabschnitt L. Hierbei ist der Kältemittelverdichter 3 so ausgeführt, dass sowohl nur einer der beiden Kältemittelkreisläufe 1 oder 2 oder die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 gemeinsam betrieben werden können.
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Die Kälteanlage 10 gemäß 2 weist gegenüber derjenigen nach 1 zusätzlich einen in dem ersten Kältemittelkreislauf 1 angeordneten weiteren Verdampfer als Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 mit einem zugehörigen Expansionsorgan 1.20 auf. Dieser Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 ist als Chiller mit einem Kühlmittelkreislauf ausgeführt.
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Nach 2 sind die beiden Kühlmittelkreisläufe des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 und des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 1.2 des ersten Kältemittelkreislaufs 1 miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf 4. In diesem Kühlmittelkreislauf 4, der von mindestens einer Pumpe 4.1 angetrieben wird, ist eine als Hochvoltspeicher ausgebildete elektrische Energiespeichereinheit 4.2 angeordnet. Die beiden Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 und 2.1 sind in 2 hinsichtlich der elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 in Reihe geschaltet. Eine Parallelschaltung ist natürlich auch realisierbar.
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Um bei einem ausschließlichen Betrieb des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 1.2, d. h. ohne den Verdampfer 1.1 eine Kältemittel-Umverlagerung in diesen Verdampferstrang zu verhindern, ist ein Rückschlagventil 1.11 dem Verdampfer 1.1 stromabwärts nachgeschaltet. Umgekehrt kann für den alleinigen Betrieb des Verdampfers 1.1 auch für den Chillerstrang im Bedarfsfall ein weiteres Rückschlagventil stromabwärts dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 nachgeschaltet werden
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Bei der Kälteanlage 10 gemäß 2 sind die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 über die Kühlmittelkreise der beiden Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragerübertrager 1.2 und 2.1 gekoppelt, wodurch die maximal verfügbare Kälteleistung aus beiden Kältemittelkreisläufen 1 und 2 in diesem gemeinsamen Kühlkreislauf 4 zur Verfügung steht.
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Alternativ ist es möglich, dass jeder der mit den jeweiligen Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragern 1.2 und 2.1 verbundenen Kühlkreise für sich autark arbeitet. Es werden zwei fluidtechnisch getrennte Kühlkreissysteme dargestellt, die ihrerseits ggf. unterschiedliche Verbraucher mit Kühlmittel durchströmen, d.h. Komponenten abkühlen.
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Bei der Kälteanlage 10 nach 3 sind die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 zusätzlich neben dem Kältemittelverdichter 3 über den Verdampfer 1.1 und den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 gekoppelt, indem die Reihenschaltung aus dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 mit dem zugeordneten Expansionsorgan 2.10 der Reihenschaltung des Verdampfers 1.1 mit dessen zugeordneten Expansionsorgan 1.10 parallel geschaltet ist, so dass das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 1 nach der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 1.4 entweder vollständig bei geschlossenem Expansionsorgan 1.10 oder in Anteilen bei mit aktivem Verdampfer 1.1 über ein Rückschlagventil 5.3 mittels des Expansionsorgans 2.10 in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 entspannt wird. Hierzu verbindet ein Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1, in welchem das Rückschlagventil 5.3 angeordnet ist, die Austrittsseite des hochdruckseitigen Abschnitts des inneren Wärmeübertragers 1.4 mit dem Expansionsorgan 2.10 stromaufwärtsseitig an einem Kopplungspunkt P1 und ein Kältemittelkreislaufabschnitt 5.2 einen Verzweigungspunkt P2 am Austritt A des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 mit dem Rückschlagventil 1.5 des ersten Kältemittelkreislaufs 1 und dem Rückschlagventil 2.5 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2.
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Der zweite Kältemittelkreislaufs 2 der Kälteanlage 10 gemäß 3 weist zwischen dem Kondensator oder Gaskühler 2.3 und der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 2.4 ein Rückschlagventil 2.7.
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Die Kälteanlage 10 nach 4 entspricht derjenigen nach 3, jedoch mit dem Unterschied, dass anstelle des in dem Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1 vorgesehenen Rückschlagventils 5.3 ein weiteres Expansionsorgan 5.4 angeordnet ist. Die Anbindung des Kältemittelkreislaufabschnittes 5.1 erfolgt dabei direkt an den Eintritt E des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1, so dass das Kältemittel aus dem Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1 direkt in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 entspannt wird.
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In den 3 und 4 ist der Kühlmittelkreislauf 4 des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 mit einer als Hochvoltspeicher ausgeführten elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 und einer Pumpe 4.1 dargestellt.
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Bei diesen beiden Kälteanlagen 10 gemäß den 3 und 4 wird die maximal verfügbare Kälteleistung aus den beiden Kältemittelkreisläufen 1 und 2 über die kältemittelseitige Kopplung des Verdampfers 1.1 und des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 über den als großen und durchflussoptimierten zentralen Chiller ausgeführten Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 dem zweiten Kühlmittelkreislauf 2 zur Verfügung gestellt. Hierzu müssen die Leitungen an dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 hinsichtlich ihres Querschnittes angepasst werden, nämlich zwischen dem Kopplungspunkt P1 des Kältemittelkreislaufabschnittes 5.1 mit dem Expansionsorgan 2.10 und dem Verzweigungspunkt P2, in welchem das Kältemittel über den Kältemittelkreislaufabschnitt 5.2 zum Rückschlagventil 1.5 und zum Rückschlagventil 2.5 verzweigt. Die Darstellung der vergrößerten Leitungsquerschnitte zwischen den Punkten P1 und P2 erfolgt in den 3 und 4 mittels einer Doppellinie.
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Die Kälteanlage 10 gemäß 5 entspricht derjenigen nach 4, mit dem Unterschied, dass der zentrale für beide Kältemittelkreisläufe 1 vorgesehene Kältemittelverdichter 3 in zwei einzelne Kältemittelverdichter 3 und 3.0 aufgeteilt ist. Der Vorteil dieser Aufsplittung in zwei Kältemittelverdichter 3 und 3.0 besteht darin, dass handelsübliche automotive Kältemittelverdichter mit Standardgröße bezogen auf die Fördermenge, eingesetzt werden können.
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Die Kälteanlagen 10 gemäß den 6 und 7 sind in ihrer Grundstruktur identisch und bestehen aus zwei Kältemittelkreisläufen, nämlich einem ersten Kältemittelkreislauf 1 und einem zweiten Kältemittelkreislauf 2.
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Der Vorteil dieser Aufteilung in zwei Kältemittelkreisläufe 1 und 2 besteht darin, dass für jeden der beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 Verdichter mit einer standardisierten bzw. bekannten oder am Markt verfügbaren Fördermenge eingesetzt werden können. Weiter sind die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 unabhängig voneinander betreibbar und bedarfsgerecht aktivierbar.
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Der erste Kältemittelkreislauf 1 weist einen als Kältemittel-Luftwärmeübertrager ausgeführten Verdampfer 1.1 mit zugeordnetem Expansionsorgan 1.10, einem diesem Verdampfer 1.1 parallel geschalteten Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 mit zugeordnetem Expansionsorgan 1.20, einen Kondensator oder Gaskühler 1.3 und einen inneren Wärmeübertrager 1.4 auf.
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Das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 1 durchströmt nach Austritt aus dem Verdichter 3.1 den Kondensator oder Gaskühler 1.3, die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 1.4 und wird über das Expansionsorgan 1.10 in den Verdampfer 1.1 und/oder über das Expansionsorgan 1.20 in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 entspannt und anschließend über ein dem Verdampfer 1.1 nachgeschalteten Rückschlagventil 1.11 und/oder direkt über den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 1.4 zum Verdichter 3.1 zurückgeführt.
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Das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 durchströmt nach Austritt aus dem Verdichter 3.2 den Kondensator oder Gaskühler 2.3, die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 2.4 und wird über das Expansionsorgan 2.10 in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 entspannt und anschließend über den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 2.4 zum Verdichter 3.2 zurückgeführt.
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Bei dieser Kälteanlage 10 gemäß 6 oder 7 kann entweder nur einer der beiden Kältemittelkreisläufe 1 oder 2 oder beide Kältemittelkreisläufe 1 und 2 gemeinsam durch eine entsprechende Ansteuerung des Kältemittelverdichters 3.1 oder 3.2 oder beider Kältemittelverdichter 3.1 und 3.2 betrieben werden.
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Da jeder dieser beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 nach 6 unabhängig voneinander betrieben werden kann, können für beide Kältemittelkreisläufe 1 und 2 unabhängig voneinander die optimalen Füllmengen an Kältemittel und Öl ermittelt werden. Es kommt zu keiner Durchmischung oder Mediumsübergängen zwischen zuvor oder anfangs noch fluidverbundenen Teilsystemen mit einer zentralen Verdichtereinheit, bestehend aus mindestens einem Verdichter als Koppelungselement der beiden Teilsysteme. Somit entfällt ein Kältemittelmanagement hinsichtlich der Umverlagerung und des Absaugens von Kältemittel. Darüber hinaus gestaltet sich auch das Ölmanagement, d.h. die Aufrechterhaltung des Schmiermittelhaushaltes deutlich unkomplizierter, da es zu keinen Übertritten in den jeweils anderen Kreis kommen kann. Falls der Fall eintreten sollte, dass bspw. der Kältemittelkreislauf 1 aktiv in Betrieb ist, aber ein großer Ölanteil im Kältemittelkreislauf 2 sich befindet, sind gesonderte Spül- und Austriebszeiten einzuplanen und vorzusehen, um eine Mangelschmierung des Verdichters 3 zu verhindern.
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Der Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 ist als Chiller ausgeführt, dessen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung einer als Hochvoltspeicher ausgeführten elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 dient.
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Damit dient der erste Kältemittelkreislauf 1 als Klimakreis zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums mittels des Verdampfers 1.1 und der zweite Kältemittelkreislauf 2 als Bauteile- oder Komponentenkreis zur Konditionierung von elektrischen oder elektronischen Komponenten.
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Die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 der Kälteanlage 10 gemäß den 6 und 7 können auch jeweils mit einem Kältemittelspeicher als Niederdruck- oder Hochdrucksammler ergänzt werden. Auf die beiden inneren Wärmeübertrager 1.4 und 2.4 kann gegebenenfalls auch verzichtet werden.
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Der erste Kältemittelkreislauf 1 der Kälteanlage 10 gemäß den 6 und 7 kann auch mit einem weiteren Verdampfer ergänzt werden, welcher bspw. als Heckverdampfer dem als Frontverdampfer eingesetzten Verdampfer 1.1 mit einem weiteren Expansionsorgan parallel geschaltet ist.
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Die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 der Kälteanlage 10 gemäß den 6 und 7 können ferner auch mit einer Wärmepumpenfunktion versehen werden, indem die Umgebungsluft mittels der Kondensatoren oder Gaskühler 1.3 und 2.3 als Wärmequelle und/oder der mit Kühlmittel beaufschlagte Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 als Wärmequelle eingesetzt werden. Hierbei wird die Wärme von den in dem Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers angeordneten elektrischen und elektronischen Komponenten geliefert.
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Die als Umgebungs-Wärmeübertrager dienenden Kondensatoren oder Gaskühler 1.3 und 2.3 können unterschiedlich zueinander positioniert werden. Je nach Anwendungsfall können diese Komponente hintereinander, nebeneinander oder übereinander angeordnet werden.
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Um insbesondere im Aufbau der Kälteanlage 10 nach 7 weitere Kältemittelumverlagerungen bei separatem Betrieb der Kältemittelkreisläufe 1 und 2 und damit der Kältemittelverdichter 3.1 und 3.2 auszuschließen, können als Ausführungsvariante niederdruckseitig in dem Kältemittelkreislauf 1 zwischen P2 und dem inneren Wärmeübertrager 1.4 sowie in dem Kältemittelkreislauf 2 zwischen einem Verzweigungspunkte P2 und dem inneren Wärmeübertrager 2.4 je ein weiteres Rückschlagventil vorgesehen werden. Weitere Varianten lassen sich mit dem Wissen der bestehenden Umverlagerungsgefahr aus dem Systemgrundaufbau ableiten und entwickeln
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Nachfolgend werden die Kälteanlagen 10 der 6 und 7 im Detail erläutert.
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Die Kälteanlage 10 gemäß 6 weist zusätzlich einen in dem ersten Kältemittelkreislauf 1 angeordneten weiteren Verdampfer als Kältemittel-Kühlmittelwärmerübertrager 1.2 mit einem zugehörigen Expansionsorgan 1.20 auf. Dieser Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 ist als Chiller mit einem Kühlmittelkreislauf ausgeführt.
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Nach 6 sind die beiden Kühlmittelkreisläufe des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 und des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 1.2 des ersten Kältemittelkreislaufs 1 miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf 4. In diesem Kühlmittelkreislauf 4, der von einer Pumpe 4.1 angetrieben wird, ist eine als Hochvoltspeicher ausgebildete elektrische Energiespeichereinheit 4.2 angeordnet. Die beiden Kältemittel-Kühlmittelwärmerübertrager 1.2 und 2.1 sind in 6 hinsichtlich der elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 in Reihe geschaltet. Eine Parallelschaltung ist natürlich auch realisierbar.
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Das dem Verdampfer 1.1 stromabwärts nachgeschaltete Rückschlagventil 1.11 dient dazu, bei einem ausschließlichen Betrieb des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 1.2, d. h. ohne den Verdampfer 1.1 eine Kältemittel-Umverlagerung in diesen Verdampferstrang zu verhindern.
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Bei der Kälteanlage 10 gemäß 6 sind die beiden Kältemittelkreisläufe 1 und 2 über die Kühlmittelkreise der beiden Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2 und 2.1 gekoppelt, wodurch die maximal verfügbare Kälteleistung aus beiden Kältemittelkreisläufen 1 und 2 in diesem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf 4 zur Verfügung steht.
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6 stellt hinsichtlich Kältemittel- und Ölmanagement und damit generellem Fluidmanagement und -handling die am einfachsten beherrschbare und abbildbare Variante der Maximierung des Kälteleistungsangebots für die Konditionierung von Hochvoltkomponenten in Kombination mit einer Innenraumklimatisierung dar.
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Bei der Kälteanlage 10 nach 7 sind die beiden Kältemittelkreise 1 und 2 über den Verdampfer 1.1 und den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 gekoppelt, indem die Reihenschaltung aus dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 mit einem weiteren Expansionsorgan 5.4 der Reihenschaltung des Verdampfers 1.1 mit dessen zugeordneten Expansionsorgan 1.10 parallel geschaltet ist, so dass das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 1 nach der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 1.4 über das weitere Expansionsorgan 5.4 in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 entspannt wird. Hierzu verbindet ein Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1, in welchem das weitere Expansionsorgan 5.4 angeordnet ist, die Austrittsseite des hochdruckseitigen Abschnitts des inneren Wärmeübertragers 1.4 mit einem Kopplungspunkt P1 eines das Expansionsorgan 2.10 mit dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 verbindenden Leitungsabschnittes. Ein Kältemittelkreislaufabschnitt 5.2 verbindet einen Verzweigungspunkt P2 am Austritt A des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 mit dem Kältemittelverdichter 3.2 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2 und dem Kältemittelverdichter 3.1 des ersten Kältemittelkreislaufs 1.
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Anstelle des weiteren Expansionsorgans 5.4 kann auch entsprechend von 3 ein Rückschlagventil in dem Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1 angeordnet werden, wobei in diesem Fall der Kältemittelkreislaufabschnitt 5.1 mit dem Expansionsorgan 2.10 stromabwärtsseitig verbunden ist.
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In 7 ist der Kühlmittelkreislauf 4 des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertragers 2.1 mit einer als Hochvoltspeicher ausgeführten elektrischen Energiespeichereinheit 4.2 und einer Pumpe 4.1 vereinfacht dargestellt.
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Bei dieser Kälteanlage 10 nach 7 kann die maximal verfügbare Kälteleistung aus den beiden Kältemittelkreisläufen 1 und 2 über deren kältemittelseitige Kopplung mittels des Kältemittelkreislaufabschnittes 5.1 dem im zweiten Kältemittelkreislaufs 2 angeordneten und als großen und durchflussoptimierten zentralen Chiller ausgeführten Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1, zur Verfügung gestellt. Hierzu müssen die Leitungen an dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 hinsichtlich ihres Querschnittes angepasst werden, nämlich zwischen dem Kopplungspunkt P1 des Kältemittelkreislaufabschnittes 5.1 mit dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 2.1 und dem Verzweigungspunkt P2, in welchem das Kältemittel zum Kältemittelverdichter 3.2 und über den Kältemittelkreislaufabschnitt 5.2 zum Kältemittelverdichter 3.1 verzweigt.
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Der Einfachheit halber wird in den Figuren auf die Darstellung von Kältemittelspeichern, wie Akkumulatoren (Niederdruckspeicher) oder Receivern oder Modulatoren (Hochdruckspeicher) verzichtet. Entsprechendes gilt für Systemerweiterungen um mindestens einen weiteren Innenraumverdampfer, dem sog. Heckverdampfer und den Regelungssensoren, wie Druck-, Temperatur-, und/oder Druck-Temperatur-Aufnehmer. Auch die Beschreibung der Funktionalität einer Wärmepumpe sowie des zugehörigen Systems mit dieser Funktionserweiterung wird verzichtet, ist jedoch unter Zunahme der Komplexität des Basissystems jederzeit möglich. Weitere hierfür erforderliche Ventile und Wärmeübertrager sowie die Bauteile verbindende Leitungselemente können jederzeit in passender Weise ergänzt werden, um die verschiedenen Wärmequellen wie Luft, Wasser oder auch einen Dreiecksprozess abbilden zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10
- 1.1
- Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufs 1
- 1.11
- Rückschlagventil
- 1.10
- Expansionsorgan
- 1.2
- Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs 1
- 1.20
- Expansionsorgan des Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 1.2
- 1.3
- Kondensator oder Gaskühler des ersten Kältemittelkreislaufs 1
- 1.4
- innerer Wärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs 1
- 1.5
- Rückschlagventil
- 1.6
- Absperrventil
- 2
- zweiter Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10
- 2.1
- Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager des zweiten Kältemittelkreislaufs 2
- 2.3
- Kondensator oder Gaskühler des zweiten Kältemittelkreislaufs 2
- 2.4
- innerer Wärmeübertrager des zweiten Kältemittelkreislaufs 2
- 2.5
- Rückschlagventil
- 2.6
- Absperrventil
- 2.7
- Rückschlagventil
- 3
- Kältemittelverdichter
- 3.0
- Kältemittelverdichter
- 3.1
- Kältemittelverdichter
- 3.2
- Kältemittelverdichter
- 3.3
- Anschlussblock
- 3.4
- Anschlussblock
- 4
- Kühlmittelkreislauf
- 4.1
- Pumpe
- 4.2
- Energiespeichereinheit
- 5.1
- Kältemittelkreislaufabschnitt
- 5.2
- Kältemittelkreislaufabschnitt
- 5.3
- Rückschlagventil
- 5.4
- Expansionsorgan
- 10
- Kälteanlage
- A
- Austritt
- E
- Eintritt
- L
- Kältemittelkreislaufabschnitt
- P1
- Kopplungspunkt
- P2
- Verzweigungspunkt
- ...
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10259827 B3 [0002]
- DE 19917811 A1 [0003]
- DE 102009056085 A1 [0005]
- DE 102015212550 A1 [0006]
