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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
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Aus der
DE 10 2008 017 113 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug bekannt, mit einem Kühlmittelkreislauf, in dem die Fahrzeugbatterie, ein Kühlmittelkühler, eine Kühlmittelpumpe sowie ein Chiller angeordnet sind. Der Chiller ist zudem noch in einen Kältemittelkreislauf eingebunden, in dem darüber hinaus ein Verdichter, ein Kondensator und ein Verdampfer angeordnet sind. Die Einbindung des Kühlmittelkreislaufs in den Kältemittelkreislauf über den Chiller ist dabei jedoch vergleichsweise aufwändig.
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Aus der
DE 10 2009 054 186 A1 ist ein System zum Erwärmen oder Kühlen einer Batterie und eines Kraftfahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend ein Kühlmittelkreislauf, der thermisch, insbesondere mit einem Batteriewärmeübertrager, mit der Batterie gekoppelt ist, sowie einem Kältemittelkreislauf mit einem Kondensator, einem Verdichter und einem ersten Verdampfer zum Kühlen des Kraftfahrzeuginnenraums und einem zweiten Verdampfer zum Kühlen der Batterie, in dem der zweite Verdampfer mit einem Verdampfer-Wärmeübertrager mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Der zweite Verdampfer stellt somit einen Chiller dar. Um dabei die Abwärme der Batterie mit möglichst geringem technischen Aufwand zugleich auch zum Erwärmen des Kraftfahrzeugsinnenraums nutzen zu können, ist der Verdampfer-Wärmeübertrager, das heißt der Chiller, mit wenigstens einem Mittel zur Übertragung von Wärme von dem Chiller an den Kraftfahrzeuginnenraum versehen.
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Aus der
DE 10 2011 080 208 A1 ist ein Wärmetauschersystem für ein Fahrzeug bekannt, das einen Verteiler zum Aufteilen eines Kühlmittelstroms in einen ersten Kühlmittelstrom und einen zweiten Kühlmittelstrom aufweist, einen durch den ersten Kühlmittelstrom kühlbaren Ladeluftkühler für einen Motor, einen durch den zweiten Kühlmittelstrom kühlbaren Kondensator und einen Regler zum Regeln eines Massenstroms des ersten Kühlmittelstroms durch den Ladeluftkühler. Hierdurch soll ein Betreiben eines Wärmetauschersystems vereinfacht werden können.
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Aus der
DE 697 30 613 T2 ist eine modulierende Fließmedium-Steuervorrichtung für ein auf einem Fließmedium basierendes Heiz- und Kühlsystem für eine Messumgebung bekannt.
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Aus der
US 2016/0215664 A1 ist ein Thermomanagementsystem mit einem Ölheizer, einem Ventil und einem Druckentlastungsventil bekannt.
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Nachteilig bei der zuerst beschriebenen Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug ist, dass zur Realisierung der Vorrichtung vergleichsweise viele Leitungen und T-Stücke erforderlich sind, die wiederum einen hohe Montageaufwand erfordern und dadurch teuer sind.
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Generell werden zur Kühlung von beispielsweise Traktionsbatterien in elektrischen betriebenen Fahrzeugen oftmals sogenannte Chiller als Wärmeübertrager eingesetzt, um eine in Kühlmittel-Kühlplatten eingebrachte Abwärme aus Lade-/Entladeprozessen der Batteriezellen in den Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs zu übertragen. Dies ist insbesondere bei höheren Außentemperaturen und bei einem Schnellladevorgang erforderlich. Generell unterscheidet man dabei drei unterschiedliche Arten, um ein Kühlmittel der Batteriekühlplatten zu kühlen: Beispielsweise kann lediglich ein Chiller eingesetzt werden, der eine Wärmesenke für das Kühlmittel darstellt, der jedoch eine lediglich geringe Effizienz aufweist und dadurch auf einen Einsatz bei niedrigeren Außentemperatur beschränkt ist. Denkbar ist auch, das Kühlmittel der Batteriekühlplatten bzw. generell der Batterie nur über einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler zu kühlen, so dass in diesem Fall die Wärmesenke die Umgebungsluft darstellt. Eine derartige Kühlung ist jedoch nahezu ausschließlich bei niedrigen Außentemperaturen und damit in Kaltländern möglich. Die dritte Möglichkeit stellt die effektivste dar und ist eine Kombination der beiden zuvor beschriebenen Lösungen. Nachteilig hierbei ist jedoch ein erheblicher Montageaufwand und eine erhebliche Teilevielfalt, bedingt durch zusätzliche Leitungen, T-Stücke, Umschaltventile und verbunden damit auch durch einen zusätzlichen und nicht unerheblichen Montageaufwand.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die eine effiziente Temperierung einer Fahrzeugbatterie bei gleichzeitig reduziertem konstruktivem Aufwand ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine erste Ventileinrichtung zur Aufteilung eines Kühlmittelstroms zwischen einem Chiller und einem Kühlmittelkühler in dem Chiller oder direkt an diesem anzuordnen, wodurch auf eine Vielzahl externer Leitungen sowie auf externe T-Stücke verzichtet und dadurch der Montageaufwand erheblich reduziert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle bzw. zur Temperierung beispielsweise einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug, weist dabei einen Kühlmittelkreislauf auf, in dem die Wärmequelle, das heißt beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, ein Kühlmittelkühler, eine Kühlmittelpumpe und der Chiller angeordnet sind. Der Chiller ist zudem in einen Kältemittelkreislauf eingebunden, in welchem zusätzlich noch ein Verdichter, ein Kondensator und ein Verdampfer angeordnet sind. Durch die Integration der ersten Ventileinrichtung in den Chiller bzw. eine Anordnung derselben direkt am Chiller kann die Anzahl an Schnittstellen von bislang acht auf nur noch vier reduziert werden, wobei zusätzlich ein bislang externes T-Stück sowie eine Vielzahl externer Leitungen eingespart werden können. Insgesamt kann somit eine besonders effiziente Temperierung, insbesondere Kühlung, der Wärmequelle, das heißt im vorliegender Fall üblicherweise der Fahrzeugbatterie, erreicht werden, zusammen mit einem geringen Bauraumbedarf, einer niedrigen Teilevielfalt und damit auch einem geringen Montageaufwand und geringen Herstellungskosten.
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In der vorliegenden Anmeldung soll unter dem Begriff „Fahrzeugbatterie“ generell auch eine „Wärmequelle“ subsumiert werden können, und umgekehrt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die erste Ventileinrichtung einen batterieseitigen Kühlmitteleingang, einen batterieseitigen Kühlmittelausgang, einen kühlmittelkühlerseitigen Kühlmitteleingang, einen kühlmittelkühlerseitigen Kühlmittelausgang, einen chillerseitigen Kühlmitteleingang und einen chillerseitigen Kühlmittelausgang auf. Mittels einer derartigen ersten Ventileinrichtung lässt sich ein die Fahrzeugbatterie/Wärmequelle temperierender, insbesondere kühlender, Kühlmittelstrom vergleichsweise einfach und nahezu beliebig zwischen dem Chiller und dem Kühlmittelkühler aufteilen, wodurch eine effiziente und insbesondere auch bedarfsgerechte Temperierung/Kühlung der Wärmequelle ermöglicht wird. Eine derartige erste Ventileinrichtung kann dabei beispielsweise in einem Gehäuse des Chillers angeordnet und dadurch in den Chiller integriert werden, oder aber als kostengünstiges Anbauteil außen auf den Chiller aufgesetzt werden. Besonders bei der Variante als Anbauteil bietet sich der große Vorteil, dass bei einer defekten ersten Ventileinrichtung ein einfacher und damit kostengünstiger Austausch möglich ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die erste Ventileinrichtung einen Steuerkolben auf, der in einer ersten Stellung den Kühlmittelstrom ausschließlich über die Fahrzeugbatterie/Wärmequelle und den Kühlmittelkühler leitet und damit zur Kühlung bzw. generell zur Temperierung, das heißt beispielsweise auch zum Beheizen der Fahrzeugbatterie/Wärmequelle, den Kühlmittelkühler nutzt. Zur Kühlung der Fahrzeugbatterie/Wärmequelle, beispielsweise bei einem Schnellladen einer als Fahrzeugbatterie ausgebildeten Wärmequelle in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, kann dies jedoch voraussichtlich nur bei geringen Außentemperaturen erfolgen. In einer zweiten Stellung des Steuerkolbens leitet dieser den Kühlmittelstrom ausschließlich über die Wärmequelle, beispielsweise die Fahrzeugbatterie, und den Chiller. Dies stellt somit einen Zustand dar, bei welchem die Temperierwirkung, das heißt beispielsweise die Kühlleistung des Chillers ausreicht. In einer beliebigen Zwischenstellung des Steuerkolbens leitet dieser den Kühlmittelstrom über die Fahrzeugbatterie/Wärmequelle und anteilig über den Chiller und den Kühlmittelkühler, wodurch sich die an der Wärmequelle bzw. der Fahrzeugbatterie gewünschte Solltemperatur vergleichsweise einfach einstellen lässt.
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Zweckmäßig ist im Kältemittelkreislauf stromauf des Chillers eine zweite Ventileinrichtung vorgesehen, über die ein den Chiller durchströmender Kältemittelstrom steuerbar ist. Über diese zweite Ventileinrichtung ist ein Durchströmen des Chillers mit Kältemittel einstellbar bzw. regulierbar, wodurch ebenfalls Einfluss auf die zur Kühlung der Fahrzeugbatterie/Wärmequelle bereitgestellte Leistung genommen werden kann.
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Zweckmäßig ist die erste oder die zweite Ventileinrichtung elektrisch steuerbar oder als Thermostatventil ausgebildet. Eine elektrisch steuerbare Ventileinrichtung bietet dabei den großen Vorteil, dass über diese einfach Einfluss auf die Stellung der Ventileinrichtung genommen werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebszuständen oder Motorkennwerten. Ist die erste oder die zweite Ventileinrichtung beispielsweise als Thermostatventil ausgebildet, so bietet dies den großen Vorteil, dass kein zusätzlicher Verkabelungsaufwand erforderlich ist und eine selbsttätige, temperaturabhängige Steuerung der Ventileinrichtung erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine in den vorherigen Absätzen beschriebene Vorrichtung in ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zu integrieren und dort eine Fahrzeugbatterie, beispielsweise ein Lithiumionenakku, mittels der Vorrichtung zu temperieren bzw. zu kühlen. Hierdurch lassen sich die zuvor beschriebenen Vorteil auch auf das Elektro- oder Hybridfahrzeug übertragen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Vorrichtung zur Temperierung einer Wärmequelle/Fahrzeugbatterie entsprechend dem Stand der Technik,
- 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit in den Chiller eingebauter erster Ventileinrichtung,
- 3 einen Chiller mit einer angebauten ersten Ventileinrichtung,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch aus einer anderen Ansicht,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch ohne transparente Darstellung,
- 6 eine Darstellung wie in 4, jedoch ohne Gehäuse der ersten Ventileinrichtung,
- 7 eine erfindungsgemäße erste Ventileinrichtung in einer Schnittdarstellung mit einem sich in seiner zweiten Stellung befindlichen Steuerkolben,
- 8 eine Darstellung wie in 7, jedoch mit einem sich in seiner ersten Stellung befindlichen Steuerkolben.
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Entsprechend der 2 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Temperierung/Kühlung einer Wärmequelle 2, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie 3, in einem Kraftfahrzeug 4, beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug 5, einen Kühlmittelkreislauf 6 auf, in welchem die Wärmequelle 2 bzw. die Fahrzeugbatterie 3, ein Kühlmittelkühler 7, eine Kühlmittelpumpe 8 und ein Chiller 9 (vgl. auch die 3 bis 6), angeordnet sind. Darüber hinaus vorgesehen ist ein Kältemittelkreislauf 10, in welchem der Chiller 9, ein Verdichter 11, ein Kondensator 12 und ein Verdampfer 13 angeordnet sind. In gleicher Weise ist eine solche Anordnung auch bei der gemäß der 1 gezeigten Vorrichtung 1' entsprechend dem Stand der Technik vorgesehen, wobei in der 1 die Bezugszeichen analog verwendet, aber mit einem Apostroph versehen wurden.
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Erfindungsgemäß ist nun eine erste Ventileinrichtung 14 in oder direkt an dem Chiller 9 angeordnet, wobei über die erste Ventileinrichtung 14 ein Kühlmittelstrom 25 zwischen dem Chiller 9 und dem Kühlmittelkühler 7 aufteilbar ist. Dies kann bedeuten, dass der Kühlmittelstrom 25 zwischen dem Chiller 9 und dem Kühlmittelkühler 7 umschaltbar ist.
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Betrachtet man nun die Unterschiede der Vorrichtung 1' gemäß dem Stand der Technik aus 1 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein externes 3/2-Wegeventil 15' ebenso entfallen kann, wie ein externes T-Stück 16' und darüber hinaus die Anzahl der zu verlegenden Leitungen bzw. generell eine Leitungslänge deutlich kürzer ist. Darüber hinaus sind bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 1' insgesamt acht Anschlussstellen 17' vorzusehen, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 2 lediglich noch vier Anschlussstellen 17 vorzusehen sind, was eine Halbierung der vorzusehenden Anschlussstellen 17 und verbunden damit auch eine erhebliche Reduzierung der Montagekosten bedingt. Insgesamt lassen sich so mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 das externe T-Stück 16', vier Anschlussstellen 17' sowie etliche Leitungen einsparen, wodurch eine erhebliche Montagevereinfachung und damit auch eine erhebliche Kostenreduzierung einhergeht. Darüber hinaus ist auch lediglich nur ein einziger Montageort, nämlich am Chiller 9, erforderlich, anstelle bislang insgesamt drei Montageorte, nämlich am T-Stück 16', am Chiller 9' und an dem 3/2-Wegeventil 15'. Darüber hinaus kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auch eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums erreicht werden, was insbesondere in modernen und beengten Motorräumen von großem Vorteil ist.
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Bei der gemäß der 2 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist die erste Ventileinrichtung 14 als 3/2-Wegeventil ausgebildet und in den Chiller 9 integriert bzw. an diesem angebaut. Das T-Stück 16 ist ebenfalls in den Chiller 9 integriert. Betrachtet man die erste Ventileinrichtung 14 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass diese einen batterieseitigen Kühlmitteleingang 19, einen kühlmittelkühlerseitigen Kühlmittelausgang 22 sowie einen chillerseitigen Kühlmittelausgang 24 aufweist. In diesem Fall ist die erste Ventileinrichtung 14 als 3/2-Wegeventil ausgebildet. Durch eine entsprechende Schaltung der ersten Ventileinrichtung 14 wird dabei ein Kühlmittelstrom 25 zwischen dem Kühlmittelkühler 7 und dem Chiller 9 aufgeteilt. Das bislang extern angeordnete 3/2-Wegeventil 15' und das externe T-Stück 16' werden nun im Chiller 9 bauraumsparend angeordnet.
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Betrachtet man die erste Ventileinrichtung 14 gemäß den 3 bis 8, so kann man erkennen, dass diese einen batterieseitigen Kühlmitteleingang 19, einen batterieseitigen Kühlmittelausgang 20, einen kühlmittelkühlerseitigen Kühlmitteleingang 21, einen kühlmittelkühlerseitigen Kühlmittelausgang 22, einen chillerseitigen Kühlmitteleingang 23 sowie einen chillerseitigen Kühlmittelausgang 24 aufweist.
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Darüber hinaus weist die erste Ventileinrichtung 14 gemäß den 3 bis 8 einen Steuerkolben 18 (vgl. die 7 und 8) auf, der in einer ersten Stellung den Kühlmittelstrom 25 ausschließlich über die Wärmequelle 2, beispielsweise die Fahrzeugbatterie 3, und den Kühlmittelkühler 7 leitet. Die erste Stellung des Steuerkolbens 18 ist dabei gemäß der 8 dargestellt. In der gemäß der 7 dargestellten zweiten Stellung des Steuerkolbens 18 leitet die erste Ventileinrichtung 14 den Kühlmittelstrom 25 ausschließlich über die Wärmequelle 2 und den Chiller 9, wobei selbstverständlich klar ist, dass der Kältemittelkreislauf 10 vom Kühlmittelkreislauf 6 fluidisch getrennt ist. In einer zwischen den beiden Stellungen gemäß den 7 und 8 gezeigten Zwischenstellung des Steuerkolbens 18 kann dieser den Kühlmittelstrom 25 auch über die Wärmequelle 2 und anteilig über den Chiller 9 bzw. den Kühlmittelkühler 7 leiten, wodurch individuelle Zwischentemperaturen einstellbar sind. Die Begrifflichkeit „Kühlmittel“ soll dabei auch nicht ausschließen, dass mittels des Kühlmittels eine Erwärmung der Wärmequelle 2 bzw. der Fahrzeugbatterie 3, beispielsweise über den Chiller 9 oder den Kühlmittelkühler 7, erfolgen kann. Bei einem Erwärmen der Wärmequelle 2 wäre diese somit keine Wärmequelle, sondern eine Wärmesenke.
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Betrachtet man den Kältemittelkreislauf 10 gemäß der 2 weiter, so kann man erkennen, dass dort stromauf des Chillers 9 eine zweite Ventileinrichtung 26 angeordnet ist, mittels welcher ein Kältemittelzustrom zum Chiller 9 regulierbar ist. Die erste oder die zweite Ventileinrichtung 14, 26 können dabei elektrisch ansteuerbar sein oder als Thermostatventil ausgebildet sein. Durch eine elektrische Ansteuerbarkeit ist es möglich, diese entsprechend vorgegebener Daten, beispielsweise erhobener Motordaten, zielgenau anzusteuern. Bei einer Ausbildung der ersten oder zweiten Ventileinrichtung 14, 26 als Thermostatventil kann auf eine aufwendige Verkabelung verzichtet werden und rein temperaturabhängige Steuerung der Ventileinrichtungen 14, 26 erfolgen.
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Betrachtet man die 2 weiter, so kann man erkennen, dass der Kondensator 12 zu dem Kühlmittelkühler 7 bezüglich einer Luftströmung 27 in Reihe geschaltet ist, das heißt im vorliegenden Fall in Strömungsrichtung nach dem Kühlmittelkühler 7. Stromauf oder stromab des Verdampfers 13 kann im Kältemittelkreislauf 10 darüber hinaus eine dritte Ventileinrichtung 28 vorgesehen sein, über welche ein den Verdampfer 13 durchströmender Kältemittelstrom steuerbar ist. Hierdurch kann beispielsweise die Leistung des Verdampfers 13 und damit beispielsweise die Leistung einer Klimaanlage für einen Fahrgastraum gesteuert werden. Der Verdampfer 13 kann dabei hinter einem Lüfter 29 der Klimaanlage angeordnet sein. Der Verdampfer 13 kann auch Teil einer Klimaanlage zur Klimatisierung eines Fahrgastraums ist.
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Betrachtet man nun die Ausführungsformen des Chillers 9 gemäß den 3 bis 6, so kann man erkennen, dass dort die erste Ventileinrichtung 14 direkt an dem Chiller 9 angebaut ist, was beispielsweise mittels eines einfachen Gehäuses und einem Anschrauben möglich ist. In dem Steuerkolben 18 kann darüber hinaus ein Wachs-Dehnelement 30 verbaut sein, welches ein temperaturabhängiges Bewegen bzw. Verstellen des Steuerkolbens 18 und damit ein temperaturabhängiges Schalten der ersten Ventileinrichtung 14 bewirkt. Bei den Ausführungsformen gemäß den 3 bis 6 ist somit die erste Ventileinrichtung 14 an dem Chiller 9 befestigt, während die bei der gemäß der 2 dargestellten Ausführungsform in dem Chiller 9 angeordnet ist.
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Die Zeichnungen der 7 und 8 der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 14 sind dabei in unterschiedlichen Höhen gezeichnet, so dass gemäß der 8 die Schnittebene im Bereich des kühlmittelkühlerseitigen Kühlmitteleingangs 21 liegt, während sie gemäß der 7 in Verbindung mit 6 darunter angeordnet ist und den chillerseitigen Kühlmitteleingang 23 zeigt. Dabei ist zu beachten, dass die erste Ventileinrichtung 14 gemäß den 3 bis 8 nicht mit der Ventileinrichtung 14 gemäß der 2 zu vergleichen ist, da dort die erste Ventileinrichtung 14 als einfaches 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 lässt sich eine deutliche Reduzierung des erforderlichen Bauraums erreichen, ebenso wie das Einsparen von zusätzlichen Leitungen und insgesamt vier Anschlussstellen 17, wodurch die Montage und damit auch die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008017113 A1 [0002]
- DE 102009054186 A1 [0003]
- DE 102011080208 A1 [0004]
- DE 69730613 T2 [0005]
- US 2016/0215664 A1 [0006]
