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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf.
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Aus der
DE 10 2012 100 525 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf bekannt. Zur Realisierung der Wärmepumpenfunktion wird ein Wärmepumpenkondensator als innerer Kondensator oder Heizkondensator, ein Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer und ein Kühler mit zugeordnetem Expansionsorgan als zusätzlicher Wärmepumpenverdampfer in Reihe geschaltet. Kühlmittelseitig ist dieser Kühler (im folgenden auch Chiller genannt) im Kühlwasserkreislauf zur Kühlung eines Antriebsmotors, einer Leistungselektronik und/oder einer Batterie ausgebildet. Außerdem ist für diesen Kühlwasserkreislauf ein PTC-Heizelement zur Erwärmung des Kühlwassers vorgesehen. Der Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer wird sowohl zur Kühlung eines in die Fahrzeugkabine geleiteten Zuluftstromes als auch zu dessen Erwärmung eingesetzt.
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Der Einsatz von Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten für die Innenraumklimatisierung eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckverdampfer, die in der Regel parallel fluidverbunden sind.
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Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Innenraumverdampfer in einem Kältemittelkreislauf einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Batterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes oder als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist. Nach der
DE 10 2012 224 484 A1 wird ein solcher Verdampfer oder Chiller einer Parallelschaltung aus einem Hauptverdampfer zur Kühlung der Fahrzeugkabine und einem Verdampfer zur Kühlung des Fondbereichs der Fahrzeugkabine parallel geschaltet.
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Eine Wärmemanagementvorrichtung für ein Fahrzeug besteht gemäß der
DE 10 2016 110 957 A1 aus einer Klimatisierungsschleife mit einem Verdichter, einem mit der Umgebungsluft in Kontakt stehenden Kondensator, einem ersten Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan und einem hierzu parallel geschalteten zweiten Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan sowie einem Kältemittelsammler und einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager. Ferner ist eine Wärmeaustauschschleife mit der Klimatisierungsschleife verbunden, wobei die Wärmeaustauschschleife einen mit einer kalten Wärmequelle thermisch verbundenen Wärmeübertrager und einen mit einer warmen Wärmequelle thermisch verbundenen Wärmeübertrager mit einem zugehörigen Expansionsorgan aufweist. Um den Kondensator als Wärmepumpen-Verdampfer einzusetzen, ist dieser über ein Expansionsorgan mit dem mit der warmen Wärmequelle in thermischen Kontakt stehenden Wärmeübertrager verbunden, so dass in einem Wärmepumpenbetrieb mittels diesem Kondensator derselbe in die Wärmeaustauschschleife eingebunden ist. In diesem Wärmepumpenbetrieb wird die mit dem Kondensator aufgenommene Wärme auf den mit der kalten Wärmequelle thermisch verbundenen Wärmeübertrager verbunden. Ein weiterer Wärmepumpenbetrieb wird mittels des mit der warmen Wärmequelle thermisch verbundenen Wärmeübertragers durchgeführt, dessen Wärme auf den ersten Verdampfer oder sowohl auf den ersten als auf den zweiten Verdampfer übertragen wird. Bei einer kalten Wärmequelle handelt es sich um einen Luftstrom in Richtung eines Fahrgastraumes, einer Batterie oder eines Motors, wobei diese Elemente erwärmt werden müssen, um eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen. Bei einer warmen Wärmequelle handelt es sich um einen Verbrennungsmotor, Abgase oder eine thermische Batterie, wobei diese Elemente gekühlt werden müssen. Die entsprechend Wärmeenergie kann zu Erwärmung der kalten Quelle verwendet werden.
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Die
DE 10 2011 118 162 A1 betrifft einen Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpenfunktion, die einen Primärstrang mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager als Kälteanlagenkondensator oder Wärmepumpenverdampfer, einem Kältemittelsammler, einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und einem Expansionsorgan mit einem nachgeschalteten Verdampfer umfasst. Ferner umfasst der Kältemittelkreislauf einen Sekundärstrang mit einem Heizkondensator (auch Heizregister genannt) und einem absperrbaren Bypass mit einem Expansionsorgan zur Durchströmung der Hochdruckpassage des kreisprozessinternen Wärmeübertragers zwischen dem Hochdruckausgang des kreisprozessinternen Wärmeübertragers und dem Kondensator. Im Wärmepumpenbetrieb strömt das Kältemittel aus dem Heizkondensator in einen Kältemittelsammler, anschließend durch die Hochdruckpassage des kreisprozessinternen Wärmeübertragers und anschließend über den Bypass in den Kondensator, wobei mittels des in den Bypass angeordneten Expansionsorgans das Kältemittel in den Kondensator zur Aufnahme von Wärme entspannt wird. Dem Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan sind zwei Kühler mit jeweils zugehörigem Expansionsorgan parallel geschaltet.
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Ein Kältemittelkreislauf gemäß der
DE 10 2012 024 664 A1 umfasst einen Kältemittelverdichter, einen dem Kältemittelverdichter nachgeschalteten Hauptkondensator, einen ersten Verdampfer mit einem vorgeschalteten Expansionsorgan in einem ersten Klimatisierungszweig, einen zweiten Verdampfer mit einem vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan in einem zweiten Klimatisierungszweig und eine Ventilanordnung, mittels derer der zweite Klimatisierungszweig wahlweise sperr- oder öffenbar ist. Der Kältemittelkreislauf weist einen schaltbaren Umgehungspfad auf, mittels welchem in seinem geöffneten Zustand der Ausgang des Kältemittelverdichters unter Umgehung des Hauptkondensators direkt mit dem Eingang des zweiten Verdampfers verbindbar ist.
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Damit wird der Hauptkondensator und das dem zweiten Verdampfer zugeordnete Expansionsorgan mittels des Umgehungspfades vom Kältemittelkreislauf funktionell abgekoppelt.
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Die
DE 10 2013 214 267 A1 beschreibt eine Kälteanlage mit einer Wärmepumpen-Funktion für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Der Kältemittelkreislauf dieser bekannten Kälteanlage weist einen Kältemittelverdichter auf, der neben einem Niederdruckeingang auch einen Zwischendruckeingang aufweist. Diesem Kältemittelverdichter ist ein indirekter Hochdruck-Wärmeübertrager in der Funktion als Heiz-Kondensator nachgeschaltet, mit welchem das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel abgekühlt wird. An den Zwischendruckeingang des Kältemittelverdichters ist ein Zwischendruckpfad angebunden, welcher zwei parallel geschaltete Verdampfer mit zugehörigen Expansionsorganen sowie ein diesen Verdampfern parallel geschaltetes elektrisches Heizelement aufweist. Dieses elektrische Heizelement dient als zusätzliche Wärmequelle für den Zwischendruckbereich, wodurch der Gasanteil im Massenstrom des Kältemittels innerhalb des Zwischendruckbereichs erhöht wird und somit die Leistung des Verdichters erhöht werden soll. Damit führt die von diesem Heizelement bereitgestellte zusätzliche Leistung zu einem verbesserten Leistungsbeitrag des Kältemittelverdichters, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Der Niederdruckeingang des Kältemittelverdichters ist an einen Niederdruckpfad angebunden, welcher aus einem Niederdruck-Wärmeübertrager als Außenwärmeübertrager und einem Niedertemperatur-Wärmeübertrager besteht.
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Ein Kältemittelkreislauf gemäß der
DE 10 2005 060 950 A1 umfasst neben einem Kältemittelverdichter, einem demselben nachgeschalteten Kondensator sowie einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager einen ersten Verdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan und einen zweiten Verdampfer mit einem als Festdrossel ausgeführten zugeordneten Expansionsorgan. Ferner ist dem ersten Verdampfer ein Kältemittelsammler nachgeschaltet, wobei der Ausgang des zweiten Verdampfers auf den Ausgang des Kältemittelsammlers geführt ist.
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Aus der
DE 697 21 268 T2 ist ein Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem demselben nachgeschalteten Kondensator, welcher mittels einer Bypassleitung umgehbar ist, einem Heizregister und einem Verdampfer bekannt. Das Heizregister und der Verdampfer sind in einem einen Bypass-Luftkanal aufweisenden Klimagerät angeordnet, so dass Umluft unter Umgehung des Verdampfers über das Heizregister strömen kann. Ferner weist das Klimagerät einen Abluft-Kanal auf, über welchen die über den Verdampfer geführte Umluft an die Umgebung des Fahrzeugs abgeführt wird.
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Auch die
DE 10 2012 217 980 A1 beschreibt einen Kältemittelkreislauf, bei welchem ein Verdampfer zur Klimatisierung eines Fahrgastraums mit einem Verdampfer für einen Hochvoltspeicher dem Kühler parallel geschaltet sind.
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Aus der
DE 10 2011 015 427 A1 ist ein Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug bekannt, welcher zwei parallel verschaltete Kreislaufzweige aufweist. In einem ersten Kreislaufzweig ist ein Verdampfer zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums mit einem Expansionsorgan angeordnet, während in einem zweiten Kreislaufzweig ein weiteres Expansionsorgan geschaltet ist, dem in Reihe ein Verdampfer zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers und ein weiterer Verdampfer zur Klimatisierung einer Leistungselektronik stromabwärts nachgeschaltet sind.
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Bei einer parallelen Verschaltung von mehreren Verdampfern besteht die Gefahr von Kältemittelverlagerungen und Ölversackungen. Außerdem ist ein erhöhter Abstimmungsbedarf hinsichtlich der Funktion und des Betriebes erforderlich.
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Aus der
DE 10 2007 061 577 A1 ist eine Kälteanlage zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, ein einen Kondensator umfassendes Kondensatorglied, ein Expansionsorgan und einen mit der Wärmequelle im Wärmeaustausch stehenden ersten Verdampfer aufweist. Dabei umfasst das Kondensatorglied neben dem Kondensator ein Wirkmittel zur wählbaren Erhöhung einer Temperatur des Kältemittels im Bereich des Kondensators, wie bspw. verstellbare Jalousien, durch die ein Teil der Oberfläche des Kondensators für die Luftdurchströmung verschließbar ist.
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Ferner umfasst dieser Kältemittelkreislauf gemäß der
DE 10 2007 061 577 A1 einen zweiten Verdampfer als Innenraum-Frontverdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan sowie einen dritten Verdampfer als Innenraum-Heckverdampfer mit ebenso einem zugeordneten Expansionsorgan, wobei vor den jeweiligen Expansionsorganen jeweils ein Absperrventil vorgesehen ist. Die beiden Innenraum-Verdampfer sind niederdruckseitig vor der Einmündung in die Saugleitung des Verdichters zusammengeführt, so dass nachfolgend für die beiden Innenraum-Verdampfer nur ein einziges Rückschlagventil erforderlich ist. Ferner ist eine absperrbare Abzweigleitung vorgesehen, mit welcher die beiden niederdruckseitig verbundenen Innenraum-Verdampfer mit dem hochdruckseitigen Eingang des mit der Wärmequelle in Wärmeaustausch stehenden ersten Verdampfer verbindbar sind. Diese mittels eines Absperrventils absperrbare Abzweigleitung dient dazu, bei einem stillgelegten Innenraum-Verdampferzweig versacktes Kältemittel über den mit der Wärmequelle in Wärmeaustausch stehenden ersten Verdampfer abzusaugen.
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Eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf ist auch aus der
DE 103 48 578 A1 bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst neben einem Verdichter und einem Kondensator einen Innenraum-Frontverdampfer und einen Innenraum-Heckverdampfer. In einem Kühlbetrieb wird der Innenraum-Frontverdampfer über ein Expansionsorgan mit einem definierten Öffnungsquerschnitt mit dem Ausgang des Kondensators fluidverbunden, während der Innenraum-Heckverdampfer über ein thermisches Expansionsorgan mit dem Ausgang des Kondensators fluidverbunden wird. Niederdruckseitig ist dem Innenraum-Heckverdampfer ein Rückschlagventil zugeordnet, welches eine Verbindung zu einem Niederdruck-Sammler herstellt. Der Innenraum-Frontverdampfer ist niederdruckseitig direkt mit diesem Niederdruck-Sammler verbunden. In der Heizphase wird der hochdruckseitige Eingang des Innenraum-Frontverdampfers über einen den Kondensator umgehende Bypass-Leitung mit dem Hochdruckausgang des Verdichters verbunden, wobei die Bypass-Leitung ein Expansionsorgan mit einem definierten Öffnungsquerschnitt aufweist.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2013 218 996 A1 eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf, welcher in Strömungsrichtung betrachtet einen Kältemittelverdichter, ein Rückschlagventil, einen Kondensator, Gaskühler, einen ersten Verdampfer mit einem vorgeschalteten ersten Expansionsorgan und einem dem ersten Verdampfer parallel geschalteten zweiten Verdampfer mit einem vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan. Das Rückschlagventil ist in einem crashgeschützten Bereich des Fahrzeugs angeordnet, so dass bei einem bspw. durch einen Crash verursachtes Leck ein Rückströmen von Kältemittel entgegen der normalen Strömungsrichtung verhindert wird.
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Schließlich ist aus der
EP 1 757 875 B1 ein Kältemittelkreislauf bekannt, bei welchem der Hochdruck im Kältemittelkreislauf den kritischen Druck eines Kältemittels erreicht und überschreitet. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator sowie einen ersten Verdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan und einen zweiten Verdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan, wobei das aus dem zweiten Verdampfer strömende Kältemittel dem Kältemitteleintritt des ersten Verdampfers zugeführt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf anzugeben, welcher neben einem Innenraum-Frontverdampfer auch einen Innenraum-Heckverdampfer aufweist und mit möglichst wenig Bauteilen realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf umfasst folgende Komponenten:
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen ersten Innenraum-Verdampferzweig mit einem ersten Innenraum-Verdampfer und einem dem Innenraum-Verdampfer zugeordneten ersten Expansionsorgan,
- - einen zweiten Innenraum-Verdampferzweig mit einem zweiten Innenraum-Verdampfer und einem dem zweiten Innenraum-Verdampfer zugeordneten zweiten Expansionsorgan und einem ersten Absperrorgan, wobei das zweite Expansionsorgan mit einem 2-stufigen Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist,
- - ein erstes Rückschlagventil, welches den ersten und zweiten Innenraum-Verdampfer niederdruckseitig mit dem Kältemittelverdichter fluidverbindet,
- - einen AC- und Wärmepumpenzweig mit einem äußeren Kondensator, Gaskühler und einem demselben in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer für den Heizbetrieb zugeordneten dritten Expansionsorgan, wobei im Heizbetrieb der AC- und Wärmepumpenzweig stromaufwärts über das dritte Expansionsorgan mit dem ersten Innenraum-Verdampferzweig fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein zweites Absperrorgan mit dem Niederdruckeingang des Kältemittelverdichters fluidverbindbar ist, und
- - einen Heizzweig mit einem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler, wobei der Heizzweig stromaufwärts über ein drittes Absperrorgan mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein viertes Absperrorgan mit dem ersten Innenraum-Verdampferzweig fluidverbindbar ist.
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Bei dieser Kälteanlage sind der erste Innenraum-Verdampferzweig sowie der zweite Innenraum-Verdampferzweig mit jeweils einem zugeordneten Expansionsorgan parallelgeschaltet und sind niederdruckseitig auf ein gemeinsames Rückschlagventil geführt. Das dem vorzugsweise als Innenraum-Frontverdampfer ausgeführten ersten Innenraum-Verdampfer zugeordnete Expansionsorgan ist vorzugsweise als thermisches Expansionsventil oder elektrisches Expansionsorgan ausgeführt, während das dem vorzugsweise als Innenraum-Heckverdampfer ausgeführten zweiten Innenraum-Verdampfer zugeordnete Expansionsorgan eine sogenannte verstellbare Festdrossel mit wenigstens einem 2-stufigen Öffnungsquerschnitt ist. Das in dem zweiten Innenraum-Verdampferzweig vorgesehene Absperrorgan kann mit dieser Festdrossel kombiniert werden.
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Damit wird eine Kälteanlage geschaffen, bei welcher ein elektrisches oder thermisches Expansionsorgan des zweiten Innenraum-Verdampfers durch ein kostengünstigere Festdrossel mit zwei, vorzugsweise über ein externes Steuergerät, einstellbaren Öffnungsquerschnitten ersetzt ist. Gleichzeitig kann in vorteilhafter Weise auf einen dem zweiten Innenraum-Verdampfer nachgeschalteten Druck-Temperatursensor verzichtet werden, welcher bei Einsatz eines elektrischen Expansionsorgans anstelle der Festdrossel erforderlich wäre.
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Der Vorteil des Einsatzes der Festdrossel mit einem 2-stufigen Öffnungsquerschnitt besteht darin, dass in Abhängigkeit des Lastfalles an dem zweiten Innenrau-Verdampfer, also vorzugsweise an dem Innenraum-Heckverdampfer entweder viel oder wenig Kältemittel in desselben strömen kann.
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Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der Festdrossel besteht darin, dass die Kälteanlage mit einer vereinfachten Regel- und Betriebsstrategie betrieben werden kann.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Kälteanlage einen Kühlerzweig mit einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zugeordneten vierten Expansionsorgan auf, wobei der Kühlerzweig der Reihenschaltung aus dem ersten Expansionsorgan, dem ersten Innenraum-Verdampfer und dem ersten Rückschlagventil parallel geschaltet ist.
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Ein solcher Kühlerzweig mit einem entsprechenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager dient zum einen der Kühlung bspw. einer Hochvoltbatterie und zum anderen als Wärmequelle für die Wärmepumpenfunktion.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kälteanlage mit einem ein fünftes Expansionsorgan aufweisenden „Reheat“-Zweig ausgebildet ist, wobei der „Reheat“-Zweig stromaufwärts mit dem vierten Absperrorgan und stromabwärts mit dem äußeren Kondensator, Gaskühler fluidverbindbar ist. Mit einem solchen „Reheat“-Zweig wird der „Reheat“-Betrieb, insbesondere für den Fall des Wärmeüberschusses, optimiert.
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Zur Durchführung der Wärmepumpenfunktion ist weiterbildungsgemäß die Kälteanlage mit einem das zweite Absperrventil und ein zweites Rückschlagventil aufweisenden Wärmepumpenrückführzweig ausgebildet, wobei der Wärmepumpenrückführzweig stromaufwärts mit dem als Wärmepumpenverdampfer arbeitenden äußeren Kondensator, Gaskühler und stromabwärts mit dem Kältemittelverdichter fluidverbindbar ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kälteanlage mit einem ein fünftes Absperrorgan aufweisenden Absaugzweig ausgebildet, wobei der Absaugzweig stromaufwärts mit dem einem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler und stromabwärts mit dem Wärmepumpenrückführzweig fluidverbunden ist. Damit lässt sich Kältemittel aus Totvolumen bzw. abgesperrten und inaktiven Abschnitten des Kältemittelkreislaufs absaugen.
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Schließlich ist es nach einer letzten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Innenraum-Verdampfer als Frontverdampfer und der zweite Innenraum-Verdampfer als Heckverdampfer ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltbild einer Kälteanlage als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 ein Schaltbild einer Kälteanlage als zweites Ausführungsbeispiel, welches von der Erfindung nicht umfasst wird und lediglich der Veranschaulichung dient.
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Die in den 1 und 2 dargestellten Kälteanlagen mit jeweils einem Kältemittelkreislauf 1 können jeweils in einem AC- und in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden und weisen eine identische Grundstruktur mit drei Verdampfern auf, nämlich einen als Frontverdampfer ausgebildeten ersten Innenraum-Verdampfer 2, einen als Heckverdampfer ausgebildeten zweiten Innenraum-Verdampfer 3 und einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 4.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch verbunden ist. Unter einem AC-Betrieb wird ein Kälte- oder Kühlbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 verstanden.
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Zunächst wird die Grundstruktur der Kältemittelkreisläufe 1 der 1 und 2 beschrieben und anschließend jeweils deren spezifischer Aufbau.
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Der Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 und 2 besteht aus:
- - einem Kältemittelverdichter 5,
- - einem äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6 mit einem demselben in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer für den Heizbetrieb zugeordneten dritten Expansionsorgan AE3,
- - einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager 9,
- - einem niederdruckseitigen Abscheider 8,
- - einem ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1 mit dem als Frontverdampfer ausgebildeten Innenraum-Verdampfer 2, einem vorgeschalteten als thermisches oder elektrisches Expansionsventil ausgeführten ersten Expansionsorgan AE1,
- - einen zweiten Innenraum-Verdampferzweig 3.1 mit dem als Heckverdampfer ausgebildeten zweiten Innenraum-Verdampfer 3, einem vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan AE2 und einem ersten Absperrorgan A1, wobei das zweite Expansionsorgan AE2 des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 als Festdrossel mit einem 2-stufigen Öffnungsquerschnitt, während das zweite Expansionsorgan AE2 des Kältemittelkreislaufs 1 nach 2 als Festdrossel mit einem einzigen definierten Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist, und wobei der zweite Innenraum-Verdampferzweig 3.1 dem ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1 parallel geschaltet ist,
- - einem ersten Rückschlagventil R1, welches mit dem Ausgang VA1 des ersten Innenraum-Verdampfers 2 und mit dem Ausgang VA2 des zweiten Innenraum-Verdampfers 3 fluidverbunden ist und seinerseits über den Abscheider 8 und den niederdruckseitigen Abschnitt des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 9 mit der Saugseite des Kältemittelverdichters 5 fluidverbunden ist,
- - einem Kühlerzweig 4.1 mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4, einem als thermisches oder elektronisches Expansionsventil ausgebildeten vierten Expansionsorgan AE4, wobei der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC- und Wärmepumpenzweig 6.1 mit dem äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6 und dem dritten Expansionsorgan AE3, wobei im Heizbetrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 6.1 stromaufwärts über das dritte Expansionsorgan AE3 mit dem ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1 unter Bildung eines ersten Abzweigpunktes Ab1 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein zweites Absperrorgan A2 mit dem Niederdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbindbar ist, während im AC-Betrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 6.1 stromabwärts mit einem sechsten Absperrorgan A6 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbindbar ist,
- - einem Heizzweig 7.1 mit einem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 (auch Heizregister genannt), wobei der Heizzweig 7.1 stromaufwärts über ein drittes Absperrorgan A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbunden ist und stromabwärts über ein viertes Absperrorgan A4 mit dem ersten Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1 fluidverbindbar ist,
- - einem „Reheat“-Zweig 6.2 mit einem fünften Expansionsorgan AE5, wobei der „Reheat“-Zweig 6.2 stromabwärts mit dem äußeren Kondensator 6 bzw. Gaskühler 6 unter Bildung eines zweiten Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 fluidverbindbar ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 1.1 mit einem fünften Absperrorgan A5 und einem zweiten Rückschlagventil R2 , wobei der Wärmepumpenrückführzweig 1.1 stromaufwärts über den zweiten Abzweigpunkt Ab2 mit dem äußeren Kondensator, Gaskühler 6 und stromabwärts mit dem Abscheider 8 fluidverbindbar ist,
- - einem Absaugzweig 1.2 mit einem fünften Absperrorgan A5, wobei der Absaugzweig 1.2 stromaufwärts mit dem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 und stromabwärts über einen dritten Abzweigpunkt Ab3 mit dem zweiten Absperrorgan A2 und dem zweiten Rückschlagventil R2 des Wärmepumpenrückführzweiges 1.1 fluidverbunden ist, und
- - einem bspw. als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführten elektrischen Heizelement 10 als Zuheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom, welches zusammen mit dem inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 und dem ersten Innenraum-Verdampfer 2 (Frontverdampfer) in einem Klimagerät angeordnet ist.
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Als Sensoren sind in dem Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 mehrere Druck-Temperatursensoren vorgesehen.
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So ist dem Kältemittelverdichter 5 ein erster Druck-Temperatursensor pT1 am Hochdruckausgang zugeordnet, ferner ein zweiter Druck-Temperatursensor pT2 am Ausgang des Abscheiders 8, ein dritter Druck-Temperatursensor pT3 am Ausgang des äußeren Kondensators 6 oder Gaskühlers 6, ein vierter Druck-Temperatursensor pT4 am Ausgang des Heizkondensators, Heißgaskühlers 7 und schließlich ein fünfter Druck-Temperatursensor pT5 am niederdruckseitigen Ausgang des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 angeordnet.
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Mit den beiden Absperrorganen A3 und A6 wird der Kältemittelstrom ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 5 in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrventile entweder bei offenem Absperrorgan A6 und gesperrtem Absperrorgan A3 in den äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6 geleitet oder strömt bei offenem Absperrorgan A3 und geschlossenem Absperrorgan A6 in den Heizzweig 7.1. Die beiden Absperrorganen A3 und A6 können auch zu einem 3-2-Wegeventil als Umschaltventil USV1 ausgeführt werden. Entsprechendes gilt auch für die beiden Absperrorgane A2 und A5, die zu einem 3-2-Wegeventil als Umschaltventil USV2 zusammengefasst werden können.
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Die beiden Umschaltventile USV1 und USV2 können in ein einziges kompaktes elektrisches Mehrwegeventil zusammengefasst und ausgeführt werden.
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Der Unterschied der beiden Kältemittelkreisläufe 1 gemäß den 1 und 2 besteht darin, dass der zweite Innenraum-Verdampferzweig 3.1 mit dem als Heckverdampfer ausgeführten zweiten Innenraum-Verdampfer 3 gemäß 1 niederdruckseitig, also dessen Ausgang VA2 mit dem Ausgang VA1 des als Frontverdampfer ausgeführten ersten Innenraum-Verdampfers 2 fluidverbunden ist, während gemäß 2 der als Heckverdampfer ausgeführte zweite Innenraum-Verdampfer 3 niederdruckseitig, also dessen Ausgang VA2 mit dem Eingang E des als Frontverdampfer ausgeführten ersten Innenraum-Verdampfers 2 fluidverbunden ist.
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Ein weiterer Unterschied besteht in der Ausführung des als Festdrossel ausgeführten zweiten Expansionsorgans AE2. Wie bereits oben erläutert, ist das zweite Expansionsorgan AE2 des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 2-stufig mit zwei definierten Öffnungsquerschnitten ausgebildet, während das zweite Expansionsorgan AE2 des Kältemittelkreislaufs 1 nach 2 einen definierten Öffnungsquerschnitt aufweist.
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Bei dem Kältemittelkreislauf 1 nach 1 kann in Abhängigkeit des Lastfalles, welcher bspw. anhand der detektierten Ventilator- bzw. Gebläseleistung eines Gebläses des als Heckverdampfer ausgebildeten zweiten Innenraum-Verdampfers 3 bestimmt wird, der Öffnungsquerschnitt so eingestellt werden, dass entweder wenig Kältemittel, entsprechend dem kleineren Öffnungsquerschnitt, oder viel Kältemittel, entsprechend dem größeren Öffnungsquerschnitt in den Heckverdampfer strömt. Mittels des als Absperrventil ausgeführten ersten Absperrorgans A1 und der separat angeordneten Festdrossel als zweites Expansionsorgan AE2 oder mit dem als Festdrossel mit integrierter Absperrfunktion ausgeführten zweiten Expansionsorgan AE2 kann der als Heckverdampfer ausgebildete zweite Innenraum-Verdampfer 3 stillgelegt werden.
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Bei dem Kältemittelkreislauf 1 nach 2 wird in dem als Heckverdampfer ausgebildeten zweiten Innenraum-Verdampfer 3 unverdampftes Kältemittel immer dem als Frontverdampfer ausgebildeten ersten Innenraum-Verdampfer 2 zugeführt. Auch die Stilllegung des Heckverdampfers erfolgt mit dem als Absperrventil ausgeführten ersten Absperrorgan A1 und der separat angeordneten Festdrossel als zweites Expansionsorgan AE2 oder mit dem als Festdrossel mit integrierter Absperrfunktion ausgeführten zweiten Expansionsorgan AE2.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 5 bei offenem sechsten Absperrorgan A6 in den äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6, den Hochdruckabschnitt des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 9, über das vollständig geöffnete dritte Expansionsorgan AE3 sowie des ersten Abzweigpunktes Ab1 mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1, gegebenenfalls auch in den zweiten Innenraum-Verdampferzweig 3.1 und/oder in den Kühlerzweig 4.1. Aus dem Kühlerzweig 4.1 strömt das Kältemittel über den Abscheider 8 und den Niederdruckabschnitt des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 9 zurück zum Kältemittelverdichter 5, während das Kältemittel aus dem ersten Innenraum-Verdampferzweig 2.1 und gegebenenfalls aus dem zweiten Innenraum-Verdampferzweig 3.1 über das erste Rückschlagventil R1 strömt und anschließend über den Abscheider 8 und den Niederdruckabschnitt des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 9 zurück zum Kältemittelverdichter 5 fließen kann.
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In diesem AC-Betrieb ist der Heizzweig 7.1 mittels des als Absperrventil ausgebildeten dritten Absperrorgans A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744, nicht durch den inneren Heißgaskühler 7 strömen kann.
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Der erste Druck-Temperatursensor pT1 des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 dient zur Bestimmung der Kältemitteltemperatur sowie des Hochdrucks des verdichteten Mediums am Austritt des Kältemittelverdichters 5. Die Überwachung dieser beiden Größen dient dazu, die maximal zulässigen mechanischen und thermischen Belastungen der Kälteanlage speziell am Austritt des Kältemittelverdichters 5 zu überwachen und ggf. durch Abregelungsmaßnahmen, eingefordert durch ein Steuergerät, bspw. einem Klimasteuergerät, den Systembetrieb zu limitieren, um die zulässigen Höchstwerte nicht zu überschreiten.
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Der zweite Druck-Temperatursensor pT2 des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 dient zur Unterfüllungserkennung, aber auch zur Einstellung und Überwachung eines geforderten Niederdrucks.
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Der an der Austrittsseite des äußeren Kondensators 6 oder Gaskühlers 6 vorgesehene dritte Druck-Temperatursensor pT3 des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 dient primär zur Einstellung bzw. Überwachung des Systembetriebsgrößen optimaler Hochdruck bei überkritischem Systembetrieb bzw. Unterkühlung nach äußerem Kondensator, Gaskühler 6 bei unterkritischem Systembetrieb.
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Der gemäß des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 und 2 stromabwärts des inneren Heizkondensators, Heißgaskühlers 7 angeordnete vierte Druck-Temperatursensor pT4 dient zur Steuerung der unterschiedlichen Betriebsmodi des Kältemittelkreislaufs 1, insbesondere im Wärmepumpenmodus bei aktiv durchströmten inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 durch ein Steuergerät bspw. ein Klimasteuergerät.
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Der fünfte Druck-Temperatursensor pT5 des Kältemittelkreislaufs gemäß den 1 und 2 dient der Überwachung und Regelung des Überhitzungsgrades am Austritt des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4.
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Im Folgenden soll der Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 und 2 beschrieben werden.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 wird unter Einsatz des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe oder unter Einsatz des äußeren Kondensators 6 oder Gaskühlers 6 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer Luft-Wärmepumpe das sechste Absperrorgan A6 geschlossen und das dritte Absperrorgan A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744 in den Heizzweig 7.1 strömen kann.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 5 verdichtete Kältemittel über das geöffnete dritte Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom in den inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 und wird anschließend über das geöffnete vierte Absperrorgan A4 und den ersten Abzweigpunkt Ab1 mittels des vierten Expansionsorgans AE4 in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager4 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 4.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsorgane AE3 und AE5 geschlossen.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Kondensators 6 oder des Gaskühlers 6 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 5 verdichtete Kältemittel über das geöffnete dritte Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an den in den Fahrgastinnenraum geführten Zuluftstrom in den inneren Heizkondensators, Heißgaskühlers 7 und wird anschließend über das geöffnete vierte Absperrorgan A4 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 in den äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt und strömt anschließend über den Wärmepumpenrückführzweig 1.1 zurück zum Kältemittelverdichter 5.
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Eine indirekte Dreiecksschaltung wird dadurch realisiert, dass bei geöffnetem vierten Absperrorgan A4 das von dem Kältemittelverdichter 5 verdichtete Kältemittel mittels des vierten Expansionsorgans AE4 in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlm ittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 4.0 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser auf der Kühlmittelseite des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 stehen bleibt bzw. der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird.
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Bei einem „Reheat“-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom mittels des als Frontverdampfer ausgeführten ersten Innenraum-Verdampfers 2 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom entzogenen Wärme mittels des inneren Heizkondensators, Heißgaskühlers 7 diesen Zuluftstrom wieder zu erwärmen. Ein „Reheat“-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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So wird bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 1, insbesondere jedoch am inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7, gemäß den 1 und 2 nur der als Frontverdampfer ausgeführte erste Innenraum-Verdampfer 2 mit Kältemittel durchströmt, indem der innere Heizkondensator, Heißgaskühler 7 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten vierten Absperrorgans A4 über das erste Expansionsorgan AE1 mit dem Frontverdampfer fluidverbunden wird, wobei das dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 zugeordnete vierte Expansionsorgan AE4 und ebenso wie die zum äußeren Kondensator 6 bzw. Gaskühler 6 führenden Expansionsorgane AE3 und AE5 gesperrt sind. Aus dem ersten Innenraum-Verdampfer 2 strömt das Kältemittel über das erste Rückschlagventil R1, über den Abscheider 8 und den kreisprozessinternen Wärmeübertrager 9 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 5, wobei die in dem Frontverdampfer aufgenommene Wärme gemeinsam mit dem über den Kältemittelverdichter 5 eingetragenen Wärmestrom über den inneren Kondensator, Heißgaskühler 7 wieder an einen in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom abgegeben wird.
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Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 1, d.h. bei Heizleistungsdefizit am inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7, wird zur Wärmeaufnahme zusätzlich zum als Frontverdampfer ausgebildeten ersten Innenraum-Verdampfer 2 auch der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 durch Öffnen des vierten Expansionsorgans AE4 und/oder der äußere Kondensator 6 oder Gaskühler 6 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 parallel geschaltet.
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Auch ist eine parallele Nutzung der Abwärme aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 als auch der Umgebungswärme mittels des äußeren Kondensators 6 oder Gaskühlers 6 möglich.
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Bei einem Wärmeüberschuss im „Reheat“-Betrieb wird neben der Wärmeabgabe an die Kabinenzuluft über den inneren Heizkondensator, Heißgaskühler 7 zusätzlich über den äußeren Kondensator 6 oder Gaskühler 6 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den als Frontverdampfer ausgeführten ersten Innenraum-Verdampfer 2 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 5 strömt. Hierzu wird mittels des fünften Expansionsorgans AE5 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den ersten Innenraum-Verdampfer 2 auf Niederdruck expandiert.
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Der Zweig mit dem als Absperrventil ausgeführten fünften Absperrorgan A5 dient als Absaugzweig 1.2, um über diesen im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß den 1 und 2 bei geöffnetem fünften Absperrorgan A5 und geschlossenen Ventilen A3 und A4 Kältemittel aus dem Heizzweig 7.1 abzusaugen.
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BEZUGSZEICHEN
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- 1
- Kältemittelkreislaufs
- 1.1
- Wärmepumpenrückführzweig
- 1.2
- Absaugzweig
- 2
- erster Innenraum-Verdampfer
- 2.1
- erster Innenraum-Verdampferzweig
- 3
- zweiter Innenraum-Verdampfer
- 3.1
- zweiter Innenraum-Verdampferzweig
- 4
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 4.0
- Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4
- 4.1
- Kühlerzweig
- 5
- Kältemittelverdichter
- 6
- äußeren Kondensator, Gaskühler
- 6.1
- AC- und Wärmepumpenzweig
- 6.2
- „Reheat“-Zweig
- 7
- inneren Heizkondensator, Heißgaskühler
- 7.1
- Heizzweig
- 8
- Abscheider
- 9
- kreisprozessinterner Wärmeübertrager
- 10
- elektrisches Heizelement
- A1
- erstes Absperrorgan
- A2
- zweites Absperrorgan
- A3
- drittes Absperrorgan
- A4
- viertes Absperrorgan
- A5
- fünftes Absperrorgan
- A6
- sechstes Absperrorgan
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- AE1
- erstes Expansionsorgan
- AE2
- zweites Expansionsorgan
- AE3
- drittes Expansionsorgan
- AE4
- viertes Expansionsorgan
- AE5
- fünftes Expansionsorgan
- E
- Eingang des ersten Innenraum-Verdampfers 2
- pT1
- erster Druck-Temperatursensor
- pT2
- zweiter Druck-Temperatursensor
- pT3
- dritter Druck-Temperatursensor
- pT4
- vierter Druck-Temperatursensor
- pT5
- fünfter Druck-Temperatursensor
- R1
- erstes Rückschlagventil
- R2
- zweites Rückschlagventil
- USV1
- Umschaltventil
- USV2
- Umschaltventil
- VA1
- Ausgang des ersten Innenraum-Verdampfers 2
- VA2
- Ausgang des zweiten Innenraum-Verdampfers 3
