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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug, die in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar und zwischen diesen beiden Betriebsmodi umschaltbar ausgebildet ist.
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Kraftfahrzeuge werden seit geraumer Zeit mit Klimatisierungsanlagen ausgestattet, die einen Kältemittelkreislauf aufweisen, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. Beim Zirkulieren durch den Kältemittelkreislauf erfährt das Kältemittel einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig und wieder zurück. Dabei dient eine solche Klimatisierungsanlage im Kraftfahrzeug üblicherweise zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraums, dem eine mittels der Klimatisierungsanlage konditionierbare Klimatisierungsluft zugeführt werden kann. Manche herkömmliche Klimatisierungsanlagen erlauben es, die Klimatisierungsluft zu temperieren - also abzukühlen oder zu erwärmen - sowie zu trocknen oder zu befeuchten. Im Automotive-Bereich kann die Klimatisierungsluft dabei typischerweise ausschließlich getrocknet werden. Dabei stellt sich eine Effizienz der Klimatisierungsanlage im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung und Verbrauchsreduzierung eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Klimatisierungsanlage als besonders bedeutungsvoll dar, da sich die Effizienz der Klimatisierungsanlage direkt auf eine Reichweite des Kraftfahrzeugs auswirkt. Besonders ins Gewicht fällt dies, wenn das Kraftfahrzeug mit Klimatisierungsanlage ein Elektrokraftfahrzeug ist. Insbesondere ein für einen Beheizungsfall, in welchem die Klimatisierungsluft mittels der Klimatisierungsanlage erwärmt wird, bereitzustellender Heizenergiebedarf muss im Hinblick auf den Gesamtenergiebedarf des Kraftfahrzeugs beachtet werden, da dieser Heizenergiebedarf den Gesamtenergiebedarf des Kraftfahrzeugs und damit seine Reichweite besonders stark beeinflussen kann.
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Zur Effizienzsteigerung eines Kältekreislaufs einer Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug werden - üblicherweise allerdings lediglich für reine Kühlanwendungen, bei welchen ein Beheizen der Klimatisierungsluft mittels der Klimatisierungsanlage nicht vorgesehen ist - seit geraumer Zeit innere Wärmeübertrager eingesetzt. Ein solcher innerer Wärmeübertrager weist üblicherweise eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite auf, wobei die Hochdruckseite in einem Hochdruckbereich des Kältekreislaufs und die Niederdruckseite in einem Niederdruckbereich des Kältekreislaufs angeordnet ist. Dabei dient der innere Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem heißen Hochdruckbereich und dem kühlen Niederdruckbereich. Ein Wärmeübergang im inneren Wärmeübertrager ist dabei im Wesentlichen von einer Temperaturdifferenz zwischen der warmen Hochdruckseite und der kalten Niederdruckseite und einem Massenstrom an durch den inneren Wärmeübertrager geführtem Kältemittel abhängig. Üblicherweise wird der innere Wärmeübertrager dabei auf den Kühlbetrieb und die in diesem Fall zu erwartenden Temperaturdifferenzen und Massenströme ausgelegt, da wie bereits erwähnt ein Einsatz des inneren Wärmeübertragers im Heizbetrieb üblicherweise nicht vorgesehen ist.
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Im Heizbetrieb - der auch als Wärmepumpenbetrieb bezeichnet werden kann und der bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen mit innerem Wärmeübertrager oftmals gar nicht vorgesehen ist - sind gegenüber dem Kühlbetrieb, der auch als Kältemaschinenbetrieb bezeichnet werden kann, Betriebszustände mit deutlich größeren Temperaturdifferenzen und geringeren Kältemittelmassenströmen zu erwarten. Dies führt in nachteiliger Weise dazu, dass bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen der auf den Kühlbetrieb ausgelegte innere Wärmeübertrager für den Wärmepumpenbetrieb deutlich zu leistungsstark ausfallen und entsprechend zu viel Wärme von der warmen zur kalten Seite übertragen würde, was sich nachteilig auf die Effizienz und die Leistungsfähigkeit der Klimatisierungsanlage im Wärmepumpenbetrieb auswirken würde. Zudem würde durch die Auslegung des inneren Wärmeübertragers auf den Kühlbetrieb ein Betriebsbereich der Klimatisierungsanlage eingeschränkt werden, falls durch einen mit besagter Auslegung des inneren Wärmeübertragers einhergehenden zu starken Wärmeübergang im Wärmepumpenbetrieb eine maximal zulässige Temperatur im Kältemittel in Reichweite käme. Vor diesem Hintergrund wird bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen der innere Wärmetauscher oftmals derart eingebunden, dass er im Wärmepumpenbetrieb weder auf seiner Niederdruck- noch auf seiner Hochdruckseite oder ausschließlich auf einer dieser beiden Seiten von Kältemittel durchströmt wird. Im Wärmepumpenbetrieb herkömmlicher Klimatisierungsanlagen kann somit im inneren Wärmeübertrager kein Wärmeübergang stattfinden. Mit anderen Worten wird der innere Wärmeübertrager bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen also für den Wärmepumpenbetrieb überhaupt nicht genutzt, was sich als wenig ressourceneffizient erweist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung für Klimatisierungsanlagen für Kraftfahrzeuge neue Wege aufzuzeigen, die insbesondere der voranstehenden Problematik Rechnung tragen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausdrucksformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, einen inneren Wärmeübertrager einer Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug, die in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, von welchen der erste ein Kühlmaschinenbetrieb und der zweite ein Wärmepumpenbetrieb sein kann, auf den Wärmepumpenbetrieb auszulegen und den inneren Wärmeübertrager in beiden Betriebsmodi - also sowohl im Wärmepumpenbetrieb als auch im Kältemaschinenbetrieb - zur Wärmeübertragung zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich eines Kältekreislaufs der Klimatisierungsanlage einzusetzen.
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Vorteilhaft lässt sich mittels des inneren Wärmeübertragers also nicht nur - wie bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen - der Kältemaschinenbetrieb sondern auch der Wärmepumpenbetrieb realisieren. Der innere Wärmeübertrager bekommt also gegenüber einer herkömmlichen Klimatisierungsanlage zusätzlichen Funktionsgehalt.
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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug, die in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist. Die Klimatisierungsanlage ist zwischen diesen beiden Betriebsmodi umschaltbar ausgebildet. Der erste Betriebsmodus kann ein Kältemaschinen- bzw. gleichbedeutend Kühlbetriebsmodus und der zweite Betriebsmodus ein Wärmepumpen- bzw. gleichbedeutend Heizbetriebsmodus sein. Folglich kann im ersten Betriebsmodus eine mittels der Klimatisierungsanlage konditionierbare Klimatisierungsluft gekühlt und im zweiten Betriebsmodus die Klimatisierungsluft erwärmt werden. Vorzugsweise kann die Klimatisierungsluft in einem oder beiden Betriebsmodi getrocknet werden. Unter Umständen kann in einem oder beiden Betriebsmodi auch eine Befeuchtung der Klimatisierungsluft erfolgen. Das Kraftfahrzeug kann einen konventionellen Brennkraftmaschinenantrieb aufweisen. Das Kraftfahrzeug kann ein wenigstens teilelektrifiziertes Kraftfahrzeug sein. Das wenigstens teilelektrifiziert Kraftfahrzeug kann einen elektrischen Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie und einen elektrischen Antrieb zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs umfassen, welcher Antrieb mittels des elektrischen Energiespeichers mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Das wenigstens teilelektrifiziert Kraftfahrzeug kann ein vollelektrisches Kraftfahrzeug sein, in welchem neben Elektrizität kein weiterer Energieträger - insbesondere auch nicht zum Betreiben der Klimatisierungsanlage - verwendet wird.
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Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Klimatisierungsanlage sowohl im Wärmepumpenbetrieb als auch im Kältemaschinenbetrieb im thermodynamischen Sinne als Wärmepumpe betrieben wird, wobei beim Umschalten zwischen Wärmepumpen- und Kältemaschinenbetrieb die Wärmesenke und die Wärmequelle wechseln. Die Wärmesenke des Wärmepumpenbetriebs kann also beim Umschalten in den Kältemaschinenbetrieb zur Wärmequelle des Kältemaschinenbetriebs mutieren. Ebenso kann die Wärmequelle des Wärmepumpenbetriebs beim Umschalten in den Kältemaschinenbetrieb zur Wärmesenke des Kältemaschinenbetriebs.
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Die erfindungsgemäße Klimatisierungsanlage umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel zirkulieren kann und der in einen Hochdruckbereich und in einen Niederdruckbereich unterteilt ist. Außerdem weist die Klimatisierungsanlage einen im Hoch- und im Niederdruckbereich angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren ersten inneren Wärmeübertrager auf, in welchem zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich der Hochdruck- an den Niederdruckbereich thermisch gekoppelt ist. Die Klimatisierungsanlage umfasst einen zweiten inneren Wärmeübertrager, der im ersten Betriebsmodus zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich im Nieder- und in den Hochdruckbereich eingebunden ist und der den Hochdruck- an den Niederdruckbereich thermisch koppelt. Ferner umfasst die Klimatisierungsanlage einen im Kältemittelkreislauf angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren äußeren Wärmeübertrager, der zur Übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittelkreislauf und einer Außenluft den Kältemittelkreislauf an die Außenluft thermisch koppelt. Die Klimatisierungsanlage umfasst darüber hinaus einen im Hochdruckbereich angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren Kondensator, der zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich an eine Klimatisierungsluft, die einem zu klimatisierenden Fahrzeuginnenraum zuführbar ist, den Hochdruckbereich an die Klimatisierungsluft thermisch koppelt. Der erste innere Wärmeübertrager, der äußere Wärmeübertrager und der Kondensator können betriebszustandsunabhängig - also in beiden Betriebsmodi - von Kältemittel durchströmt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Klimatisierungsanlage ferner einen von Kältemittel durchströmbaren Verdampfer, wobei der Verdampfer im ersten Betriebsmodus der Klimatisierungsanlage in den Niederdruck Bereich des Kältemittelkreislaufs fluidisch eingebunden und im zweiten Betriebsmodus fluidisch vom Kältemittelkreislauf getrennt ist. Der Verdampfer kann also im ersten Betriebsmodus des Kältemittelsystems im Niederdruckbereich angeordnet sein und im ersten Betriebsmodus zur Übertragung von Wärme aus der Klimatisierungsluft an den Niederdruckbereich den Niederdruckbereich an die Klimatisierungsluft thermisch koppeln. Dabei kann der Verdampfer im zweiten Betriebsmodus außerhalb des Kältemittelkreislaufs angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Verdampfer also im zweiten Betriebsmodus deaktiviert sein und beim Umschalten vom zweiten in den ersten Betriebsmodus aktiviert werden. Umgekehrt kann der Verdampfer beim Umschalten der Klimatisierungsanlage vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus deaktiviert werden. Dabei ist der zweite innere Wärmeübertrager im zweiten Betriebsmodus vom Kältemittelkreislauf getrennt.
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Als ein Vorteil der erfindungsgemäßen Klimatisierungsanlage ergibt es sich, dass der erste innere Wärmeübertrager in beiden Betriebsmodi - also sowohl im Kältemaschinenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb - zur Wärmeübertragung genutzt werden kann. Dies bedeutet, dass der erste innere Wärmeübertrager, im Gegensatz zu herkömmlichen Klimatisierungsanlagen mit einzelnem innerem Wärmeübertrager, in jedem Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Klimatisierungsanlage zur Wärmeübertragung eingesetzt wird, was zugleich einen speziellen Wärmeübertrager für den bei herkömmlichen Klimatisierungsanlagen jeweils mittels des einzelnen inneren Wärmeübertragers nicht realisierbaren Betriebsmodus obsolet macht. Zugleich erweist sich die erfindungsgemäße Klimatisierungsanlage in beiden Betriebsmodi als besonders energieeffizient.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe eine verstellbare Umschalteinrichtung, mittels welcher der Verdampfer zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus in den Kältemittelkreislauf eingebunden oder von diesem getrennt werden kann. Somit lässt sich in technisch besonders einfach zu realisierende Weise eine Wahl des Betriebsmodus der Klimatisierungsanlage treffen.
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Zweckmäßig sind der erste innere Wärmeübertrager auf den ersten Betriebsmodus und der zweite innere Wärmeübertrager auf den zweiten Betriebsmodus ausgelegt. Eine derart weitergebildete Klimatisierungsanlage lässt sich besonders effizient betreiben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage ist der Verdampfer in einem zusätzlichen Kältemittelstrang der Klimatisierungsanlage angeordnet, der stromauf des Verdampfers in einer Abzweigung vom Kältemittelkreislauf abzweigt und stromab des Verdampfers wieder in den Kältemittelkreislauf mündet. Somit kann der Verdampfer besonders gut zwischen den Betriebsmodi in den Kältemittelkreislauf eingebunden bzw. vom Kältemittelkreislauf getrennt werden.
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Zweckmäßig umfasst die Umschalteinrichtung eine zwischen einer Schließstellung in einer Offenstellung verstellbare Umschaltventileinrichtung, die in der Abzweigung oder im zusätzlichen Kältemittelstrang angeordnet ist, sodass im Schließzustand kein Kältemittel durch den Verdampfer strömen kann. Im zweiten Betriebsmodus der Klimatisierungsanlage befindet sich die Umschaltventileinrichtung in ihrer Schließstellung. Eine solche Umschaltventileinrichtung reagiert besonders spontan auf Steuersignale zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi der Klimatisierungsanlage.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage weist dieselbe eine im Kältemittelkreislauf angeordnete und vom Kältemittel durchströmbare (erste) Expansionseinrichtung auf, die einen (ersten) Übergang zwischen Hoch- und Niederdruckbereich ausbildet. Die (erste) Expansionseinrichtung kann ein Expansionsventil sein. Dabei umfasst die Klimatisierungsanlage einen vom Kältemittel durchströmbaren Chiller, der im Niederdruckbereich zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager und der (ersten) Expansionseinrichtung angeordnet ist. Der Chiller ist fluidisch getrennt vom Kältemittel von einem in einem gesonderten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel durchströmbar. Dabei koppelt der Chiller zur Übertragung von Wärme vom Kühlmittelkreislauf in den Niederdruckbereich den Niederdruckbereich an den Kühlmittelkreislauf thermisch. Vorteilhaft kann also mittels des Chillers vom Kühlkreislauf Wärme auf den Kältemittelkreislauf übertragen werden.
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Im Allgemeinen kann vorliegend unter einem Chiller ein Wärmeübertrager verstanden werden, mittels welchem Wärme vom Kühlmittel auf das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs übertragen werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe eine vom Kältemittel durchströmbare (zweite) Expansionseinrichtung, die im ersten Betriebsmodus in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist und einen (zweiten) Übergang zwischen Hoch- und Niederdruckbereich ausbildet. Die (zweite) Expansionseinrichtung kann ein Expansionsventil sein. Die (zweite) Expansionseinrichtung ist im zweiten Betriebsmodus vom Kältemittelkreislauf getrennt, sodass die zweite Expansionseinrichtung nicht von Kältemittel durchströmbar ist. Bevorzugt ist im ersten Betriebsmodus die (zweite) Expansionseinrichtung im Kältemittelkreislauf im Hochdruckbereich zwischen dem zweiten inneren Wärmeübertrager und dem Verdampfer angeordnet. Mittels der (zweiten) Expansionseinrichtung kann vorteilhaft das Kältemittel vor seinem Einströmen in den Verdampfer besonders kontrolliert entspannt werden.
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Zweckmäßig bildet die (zweite) Expansionseinrichtung die Umschalteinrichtung bzw. die Umschaltventileinrichtung der Umschalteinrichtung aus. Die (zweite) Expansionseinrichtung kann elektrisch betätigbar sein. Die als Umschalteinrichtung bzw. Umschaltventileinrichtung fungierende (zweite) Expansionseinrichtung kann einen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung stufenlos verstellbaren Ventilkörper umfassen. Somit kann vorteilhaft auf eine gesonderte Umschaltventileinrichtung verzichtet werden, was Kostenvorteile bedingt und eine Bauraumersparnis erlaubt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst der erste oder/und zweite innere Wärmeübertrager einen Hochdruckpfad und einen Niederdruckpfad, mittels welcher der erste oder/und zweite innere Wärmeübertrager den Hoch- thermisch an den Niederdruckbereich koppelt oder koppeln kann. Der erste oder/und zweite innere Wärmeübertrager kann über den Hochdruckpfad und den Niederdruckpfad im Gegenstrom von Kältemittel durchströmt werden und zwar ohne, dass es zu einer stofflichen Vermischung des im Hochdruckpfad befindlichen Anteil des Kältemittels mit dem im Niederdruckpfad befindlichen Anteil des Kältemittels kommt. Solche innere Wärmeübertrager erlauben eine besonders verlustarme Wärmeübertragung.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Klimatisierungsanlage ist vorgesehen, dass der erste oder/und zweite innere Wärmeübertrager eine Koaxialleitung umfasst. Dabei ist in der Koaxialleitung der Hochdruckpfad in einem Hohlmantel der Koaxialleitung vorhanden und der Niederdruckpfad in einem Hohlkern der Koaxialleitung oder umgekehrt, wobei der Hohlmantel den Hohlkern umgibt und der Hohlmantel und der Hohlkern koaxial zueinander angeordnet sind. Der Hohlmantel kann den Hohlkern vorzugsweise entlang einer Umfangsrichtung vollständig umgeben. Hohlmantel und Hohlkern können mittels zweier, einander teleskopartig überlappender und koaxial zueinander angeordneter Hohlzylinder begrenzt sein. Besonders bevorzugt ist der Hochdruckpfad im Hohlmantel und der Niederdruckpfad im Hohlkern vorhanden. Derartige innere Wärmeübertrager bauen besonders kompakt.
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Zweckmäßig umfassen sowohl der erste als auch der zweite innere Wärmeübertrager jeweils eine Koaxialleitung. Dabei ist in der Koaxialleitung des zweiten inneren Wärmeübertragers der Hochdruckpfad im Hohlmantel dieser Koaxialleitung vorhanden und der Niederdruckpfad im Hohlkern dieser Koaxialleitung. In der Koaxialleitung des ersten inneren Wärmeübertragers ist der Hochdruckpfad im Hohlkern dieser Koaxialleitung vorhanden und der Niederdruckpfad im Hohlmantel dieser Koaxialleitung. Somit lässt sich ein Wärmeverlust in den beiden Koaxialleitungen gering halten.
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Gegebenenfalls kann einer der beiden inneren Wärmeübertrager, als Stapelscheiben-Wärmeübertrager ausgebildet sein, wohingegen der andere der inneren Wärmeübertrager die Koaxialleitung umfasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage ist der äußere Wärmeübertrager im ersten Betriebsmodus im Hochdruckbereich angeordnet. Im zweiten Betriebsmodus ist der äußere Wärmeübertrager im Niederdruckbereich angeordnet. Somit kann der äußere Wärmeübertrager im ersten Betriebsmodus Wärme aus dem Kältemittelkreislauf an die Außenluft abgeben und im zweiten Betriebsmodus Wärme aus der Außenluft dem Kältemittelkreislauf zu führen.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe eine vom Kältemittel durchströmbare (dritte) Expansionseinrichtung, die im zweiten Betriebsmodus in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist und einen (dritten) Übergang zwischen Hoch- und Niederdruckbereich ausbildet. Dabei ist die (dritte) Expansionseinrichtung im ersten Betriebsmodus vom Kältemittelkreislauf getrennt. Vorzugsweise ist im Kältemittelkreislauf die (dritte) Expansionseinrichtung im zweiten Betriebsmodus im Hochdruckbereich zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnet. Die (dritte) Expansionseinrichtung ermöglicht es vorteilhaft, den äußeren Wärmeübertrager im zweiten Betriebsmodus in der Art eines Verdampfers zu betreiben.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Klimatisierungsanlage sieht vor, dass die Klimatisierungsanlage einen im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren Kältemittelzwischenspeicher zum Zwischenspeichern von Kältemittel aufweist. Dieser Kältemittelzwischenspeicher dient zur Bevorratung von Kältemittel und kann gegebenenfalls helfen, Druckwellen im durch den Kältemittelkreislauf geführten Kältemittel zu dämpfen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Klimatisierungsanlage weist dieselbe ein Differenzdruckventil auf, das im ersten Betriebsmodus zwischen dem Kältemittelzwischenspeicher und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnet ist. Dabei ist der Kältemittelzwischenspeicher im ersten Betriebsmodus zwischen Differenzdruckventil und dem ersten inneren Wärmeübertrager angeordnet. Das Differenzdruckventil ist ausschließlich von Kältemittel durchströmbar, wenn ein am Differenzdruckventil anliegendes Druckgefälle im Kältemittel in Richtung des Kältemittelzwischenspeichers abfällt. Das Differenzdruckventil kann ein Rückschlagventil sein. Das Differenzdruckventil kann sperren, wenn ein am Differenzdruckventil anliegendes Druckgefälle im Kältemittel vom Kältemittelzwischenspeicher weg gerichtet abfällt. Dies hat zur Folge, dass der äußere Wärmeübertrager im ersten Betriebsmodus gegenüber dem zweiten Betriebsmodus in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird. Dabei bietet das Differenzdruckventil eine technisch besonders einfach umzusetzende Möglichkeit, die Umkehr der Durchströmungsrichtung des äußeren Wärmeübertragers zu bewirken.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Klimatisierungsanlage sieht vor, dass die Klimatisierungsanlage eine im Hochdruckbereich angeordnete und vom Kältemittel durchströmbare 3/2-Wegeventileinrichtung umfasst. Dabei verbindet die 3/2-Wegeventileinrichtung im ersten Betriebsmodus den Kondensator mit dem äußeren Wärmeübertrager fluidisch. Demgegenüber verbindet die 3/2-Wegeventileinrichtung im zweiten Betriebsmodus den Kondensator mit dem Kältemittelzwischenspeicher fluidisch. Mittels der 3/2-Wegeventileinrichtung lässt sich die Klimatisierungsanlage zwischen ihren Betriebsmodi umschalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe eine Ventileinrichtung, die im zweiten Betriebsmodus im Niederdruckbereich angeordnet und von Kältemittel durchströmbar ist. Die Ventileinrichtung kann zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand umschaltbar sein. Dabei verbindet die Ventileinrichtung im zweiten Betriebsmodus den äußeren Wärmeübertrager mit dem ersten inneren Wärmeübertrager fluidisch. Demgegenüber ist die Ventileinrichtung im ersten Betriebsmodus für das Kältemittel undurchlässig. Vorteilhaft kann mittels der Ventileinrichtung der äußere Wärmeübertrager beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi der Klimatisierungsanlage vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich verlegt werden und umgekehrt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe einen im Kältemittelkreislauf angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren Verdichter, der einen (vierten) Übergang zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich ausbildet. Dabei ist der Verdichter im Kältemittelkreislauf zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager im Niederdruckbereich und dem Kondensator im Hochdruckbereich angeordnet. Der Verdichter erlaubt es vorteilhaft, dass Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf anzutreiben, was den Wärmetransport mittels des Kältemittels erlaubt. Somit kann die auf tiefem Temperaturniveau ins Kältemittel aufgenommene Wärme durch die Verdichtung auf ein höheres Temperaturniveau gehoben werden.
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Zweckmäßig sind Verdampfer, Kondensator und eine elektrische Heizeinrichtung in einem von der Klimatisierungsluft durchströmbaren Klimatisierungsluftpfad der Klimatisierungsanlage bezüglich einer Klimatisierungsluftpfaderstreckungsrichtung des Klimatisierungsluftpfads hintereinander je im Abstand zueinander aufgereiht. Im Klimatisierungsluftpfad kann ein Gebläse zum Antreiben der Klimatisierungsluft durch den Klimatisierungsluftpfad vorhanden sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Klimatisierungsanlage umfasst dieselbe einen gesonderten Kühlmittelkreislauf umfasst, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert. Dabei ist im Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelwärmeübertrager angeordnet, der in einem von der Außenluft durchströmbaren Außenluftpfad vorhanden ist und der zur Wärmeübertragung zwischen Außenluft und Kühlmittelkreislauf die Außenluft an den Kühlmittelkreislauf thermisch koppelt. Der äußere Wärmeübertrager ist im Außenluftpfad bezüglich einer Außenluftpfaderstreckungsrichtung des Außenluftpfads im Abstand zum Kühlmittelwärmeübertrager angeordnet. Im Außenluftpfad kann ferner ein Gebläse zum Antreiben der Außenluft durch den Außenluftpfad vorhanden sein. Mittels des Kühlmittelkreislaufs lassen sich vorteilhaft weitere Komponenten des Kraftfahrzeugs, wie ein elektrischer Energiespeicher, ein elektrischer Antrieb und eine Steuer-/Regelelektronik temperieren.
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Zusammenfassend:
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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem in einen Hoch- und in einen Niederdruckbereich unterteilten Kältemittelkreislauf; mit zwei im Hoch- und im Niederdruckbereich angeordneten inneren Wärmeübertragern zur Übertragung von Wärme aus dem Hoch- in den Niederdruckbereich; mit einem im Kältemittelkreislauf angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittelkreislauf und einer Außenluft; mit einem im Hochdruckbereich angeordneten und vom Kältemittel durchströmbaren Kondensator zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich an eine Klimatisierungsluft; mit einem von Kältemittel durchströmbaren Verdampfer, der in einem ersten Betriebsmodus den Niederdruckbereich an die Klimatisierungsluft thermisch koppelt und der in einem zweiten Betriebsmodus außerhalb des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 schaltplanartig dargestellt, ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug, die sich in einem ersten Betriebsmodus befindet,
- 2 das Beispiel der 2, wobei sich die Klimatisierungsanlage in einem zweiten Betriebsmodus befindet.
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Die 1 zeigt in der Art eines Schaltplans ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsanlage 1 für ein Kraftfahrzeug 50. Mittels der Klimatisierungsanlage 1 kann ein Fahrzeuginnenraum 51 des Kraftfahrzeugs 50 klimatisiert werden. Das Kraftfahrzeug 50 kann ein wenigstens teilelektrifiziertes Kraftfahrzeug 50 sein. Ein solches wenigstens teilelektrifiziert Kraftfahrzeug 50 kann einen elektrischen Energiespeicher 54 zum Speichern elektrischer Energie und einen elektrischen Antrieb 52 zum Fortbewegen des Kraftfahrzeug 50 umfassen, welcher Antrieb 52 mittels des elektrischen Energiespeichers 54 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Das wenigstens teilelektrifiziert Kraftfahrzeug 50 kann ein vollelektrisches Kraftfahrzeug 50 sein, in welchem neben Elektrizität kein weiterer Energieträger verwendet wird. Dabei kann der Fahrzeuginnenraum 51 bzw. eine dem Fahrzeuginnenraum 51 zuführbare Klimatisierungsluft L beim Klimatisieren mittels der Klimatisierungsanlage 1 entweder beheizt oder gekühlt werden. Entsprechend ist die Klimatisierungsanlage 1 in einem ersten Betriebsmodus M1 und in einem vom ersten verschiedenen zweiten Betriebsmodus M2 betreibbar. Die Klimatisierungsanlage 1 kann zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Betriebsmodus M1, M2 umgeschaltet werden. Die Klimatisierungsanlage 1 ist also zwischen den beiden Betriebsmodi M1, M2 umschaltbar ausgebildet. Im ersten Betriebsmodus M1 kann die Klimatisierungsluft L mittels der Klimatisierungsanlage 1 gekühlt werden, d. h. der Klimatisierungsluft L kann mittels der Klimatisierungsanlage 1 Wärme entzogen werden. Demgegenüber kann im zweiten Betriebsmodus M2 die Klimatisierungsluft L mittels der Klimatisierungsanlage 1 beheizt werden, d. h. der Klimatisierungsanlage L kann mittels der Klimatisierungsanlage 1 Wärme zugeführt werden. In der 1 befindet sich die Klimatisierungsanlage 1 im ersten Betriebsmodus M1. Der erste Betriebsmodus M1 kann also ein Kältemaschinenbetrieb und der zweite Betriebsmodus M2 ein Wärmepumpenbetrieb sein.
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Dabei ist der 1 zu entnehmen, dass die Klimatisierungsanlage 1 einen Kältemittelkreislauf 2 umfasst, in welchem ein Kältemittel K zirkulieren kann. Das Kältemittel K erfährt dabei im Kältemittelkreislauf 2 zyklisch einen Phasenübergang von gasförmig zu flüssig und wieder zurück, wobei die dafür nötige Kondensations- und Verdampfungsenergie mittels der Klimatisierungsanlage 1 genutzt werden kann. Der Kältemittelkreislauf 2 ist in einen Hochdruckbereich 3 und in einen Niederdruckbereich 4 unterteilt. Im Hochdruckbereich 3 kann das Kältemittel K im Wesentlichen flüssig sein, wohingegen das Kältemittel K im Niederdruckbereich 4 im Wesentlichen gasförmig sein kann. Die Klimatisierungsanlage 1 weist darüber hinaus einen vom Kältemittel K durchströmbaren ersten inneren Wärmeübertrager 5 auf. Der erste innere Wärmeübertrager 5 ist sowohl im Hoch- als auch im Niederdruckbereich 3, 4 angeordnet und zwar betriebszustandsunabhängig, also sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus M1, M2. Im ersten inneren Wärmeübertrager 5 ist der Hochdruckbereich 3 zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich 3 in den Niederdruckbereich 4 an den Niederdruckbereich 4 thermisch gekoppelt.
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Ferner umfasst die Klimatisierungsanlage 1 gemäß 1 einen äußeren Wärmeübertrager 6, der betriebszustandsunabhängig im Kältemittelkreislauf 2 angeordnet und vom Kältemittel K durchströmbar ist. Der äußere Wärmeübertrager 6 koppelt den Kältemittelkreislauf 2 zur Übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittelkreislauf 2 und einer Außenluft A thermisch an die Außenluft A. Darüber hinaus weist die Klimatisierungsanlage 1 einen im Hochdruckbereich 3 des Kältemittelkreislaufs 2 angeordneten Kondensator 7 auf, der vom Kältemittel K durchströmbar ist. Im Kondensator 7 kann wenigstens ein Teil des Kältemittels K einen Phasenübergang von gasförmig nach flüssig erfahren. Der Kondensator 7 koppelt zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich 3 an die Klimatisierungsluft L, die dem zu klimatisierenden Fahrzeuginnenraum 51 zuführbar ist, den Hochdruckbereich 3 thermisch an die Klimatisierungsluft L.
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In der 2 ist die Klimatisierungsanlage 1 der 1 - ebenfalls in einer schaltplanartigen Darstellung - im zweiten Betriebsmodus M2 gezeigt. Dabei ist den 1 und 2 zu entnehmen, dass die Klimatisierungsanlage 1 einen Verdampfer 8 umfasst, der vom Kältemittel K durchströmbar ist. Der Verdampfer 8 ist wahlweise in den Kältemittelkreislauf 2 fluidisch einbindbar oder von diesem trennbar. Dabei ist der Verdampfer 8 im ersten Betriebsmodus M1 der Klimatisierungsanlage 1 in den Niederdruck Bereich 4 des Kältemittelkreislauf 2 eingebunden und im zweiten Betriebsmodus M2 vom Kältemittelkreislauf 2 getrennt.
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Es lässt sich also anhand der 1 und 2 erkennen, dass der Verdampfer 8 im ersten Betriebsmodus M1 (gezeigt in 1) in den Niederdruckbereich 4 eingebunden ist und dabei zur Übertragung von Wärme aus der Klimatisierungsluft L an den Niederdruckbereich 4 den Niederdruckbereich 4 an die Klimatisierungsluft L thermisch koppelt. Dabei kann das Kältemittel K beim Durchströmen des Verdampfers 8 im ersten Betriebsmodus M1 einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig erfahren. Demgegenüber ist der Verdampfer 8 im zweiten Betriebsmodus M2 (gezeigt in 2) vom Kältemittelkreislaufs 2 getrennt, sodass der Verdampfer 8 im zweiten Betriebsmodus M2 gegensätzlich zum ersten Betriebsmodus M1 nicht von Kältemittel K durchströmbar bzw. durchströmt ist.
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Aus den 1 und 2 ergibt es sich außerdem, dass die Klimatisierungsanlage 1 eine verstellbare Umschalteinrichtung 35 umfasst, mittels welcher der Verdampfer 8 zum Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus M1, M2 in den Kältemittelkreislauf 2 eingebunden oder von diesem getrennt werden kann. Der Verdampfer 8 ist in einem zusätzlichen Kältemittelstrang 34 angeordnet, der stromauf des Verdampfers 8 in einer Abzweigung 32 vom Kältemittelkreislauf 2 abzweigt und stromab des Verdampfers wieder in den Kältemittelkreislauf 2 mündet. Die Umschalteinrichtung 35 umfasst eine zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verstellbare Umschaltventileinrichtung 33, die im zusätzlichen Kältemittelstrang 34 angeordnet ist, sodass im Schließzustand kein Kältemittel K durch den Verdampfer 8 strömen kann. Alternativ zum in den 1 und 2 gezeigten Beispiel kann die Umschaltventileinrichtung 33 in der Abzweigung 32 angeordnet sein. Die Umschaltventileinrichtung 33 befindet sich im zweiten Betriebsmodus M2 der Klimatisierungsanlage 1 in der Schließstellung.
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Dem Beispiel der 1 und 2 entsprechend umfasst die Klimatisierungsanlage 1 außerdem einen zweiten inneren Wärmeübertrager 9. Der zweite innere Wärmeübertrager 9 ist im ersten Betriebsmodus M1 zur Übertragung von Wärme aus dem Hochdruckbereich 3 in den Niederdruckbereich 4 sowohl in den Niederals auch im Hochdruckbereich 3, 4 eingebunden. Dabei koppelt der zweite innere Wärmeübertrager 9 im ersten Betriebsmodus M1 den Hochdruckbereich 3 an den Niederdruckbereich 4 thermisch. Im Gegenteil zum ersten Betriebsmodus M1 ist der zweite innere Wärmeübertrager 9 im zweiten Betriebsmodus M2 vom Kältemittelkreislauf 2 getrennt. Wohingegen der zweite innere Wärmeübertrager 9 im ersten Betriebsmodus M1 vom Kältemittel K durchströmbar bzw. durchströmt ist, ist der zweite innere Wärmeübertrager 9 im zweiten Betriebsmodus M2 nicht vom Kältemittel K durchströmbar bzw. durchströmt. Der erste innere Wärmeübertrager 5 ist auf den ersten Betriebsmodus M1 und der zweite innere Wärmeübertrager 9 ist auf den zweiten Betriebsmodus M2 ausgelegt.
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Beispielsweise weist der erste sowie - alternativ oder zusätzlich - der zweite innere Wärmeübertrager 5, 9 einen Hochdruckpfad 10 und einen Niederdruckpfad 11 auf, mittels welcher der betreffende innere Wärmeübertrager 5, 9 den Hoch- thermisch an den Niederdruckbereich 3, 4 koppelt oder koppeln kann. Der erste sowie - alternativ oder zusätzlich - der zweite Wärmeübertrager 5, 9 umfasst beispielsweise eine Koaxialleitung 12. In dieser Koaxialleitung 12 kann der Hochdruckpfad 10 in einem Hohlmantel 13 der Koaxialleitung 12 vorhanden sein, wobei der Niederdruckpfad 11 in einem Hohlkern 14 der Koaxialleitung 12 angeordnet ist, oder umgekehrt. Im Beispielszenario ist beim zweiten inneren Wärmeübertrager 9 der Hochdruckpfad 10 im Hohlmantel 13 und der Niederdruckpfad 11 im Hohlkern 14 vorhanden, wohingegen beim ersten inneren Wärmeübertrager 5 die Zuordnung von Hoch- und Niederdruckpfad 10, 11 auf Hohlmantel 13 und Hohlkern 14 in umgekehrter Weise getroffen ist. Dabei kann der Hohlmantel 13 den Hohlkern 14 umgeben, wobei der Hohlmantel 13 und der Hohlkern 14 koaxial zueinander angeordnet sind. Dies ist jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 1 und 2 nicht im Detail veranschaulicht. Gegebenenfalls kann einer der inneren Wärmeübertrager 5, 9 alternativ als Stapelscheiben-Wärmeübertrager realisiert sein, was in den 1 und 2 aber nicht gezeigt ist.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst die Klimatisierungsanlage 1 ferner eine im Kältemittelkreislauf 2 angeordnete und vom Kältemittel K durchströmbare erste Expansionseinrichtung 16 auf, die ein Expansionsventil sein kann. Die erste Expansionseinrichtung 16 bildet einen ersten Übergang 17 zwischen Hoch- und Niederdruckbereich 3, 4 aus. Die erste Expansionseinrichtung 16 kann zum Drosseln des den Kältemittelkreislauf 2 durchströmenden Kältemittels K dienen, sodass sich ein von stromauf der ersten Expansionseinrichtung 16 nach stromab der ersten Expansionseinrichtung 16 abfallendes Druckgefälle im Kältemittel K einstellen kann. Es ist außerdem erkennbar, dass die Klimatisierungsanlage 1 einen vom Kältemittel K durchströmbaren Chiller 18 umfasst, der im Niederdruckbereich 4 zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 und der ersten Expansionseinrichtung 16 angeordnet ist. Der Chiller 18 kann betriebszustandsunabhängig im Niederdruckbereich 4 des Kältemittelkreislaufs 1 angeordnet sein. Der Chiller 18 ist fluidisch getrennt vom Kältemittel K von einem in einem gesonderten Kühlmittelkreislauf 19 zirkulierenden Kühlmittel F durchströmbar. Beispielsweise erfährt das Kühlmittel F beim Durchströmen des Kühlmittelkreislaufs 19 keinen Phasenübergang. Der Chiller 18 kann also sowohl im Kältemittelkreislauf 2 als auch im Kühlmittelkreislauf 19 angeordnet sein. Mittels des Chillers 18 ist der Niederdruckbereich 4 zur Übertragung von Wärme vom Kühlmittelkreislauf 19 in den Niederdruckbereich 4 an den Kühlmittelkreislauf 19 thermisch gekoppelt. Pauschalisierend kann vorliegend unter einem „Chiller“ 18 ein Wärmeübertrager verstanden werden, mittels welchem Wärme vom Kühlmittel F auf das Kältemittel K des Kältemittelkreislaufs 1 übertragen werden kann.
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Die 1 und 2 lassen darüber hinaus erkennen, dass die Klimatisierungsanlage 1 eine vom Kältemittel K durchströmbare zweite Expansionseinrichtung 20 aufweist, die im ersten Betriebsmodus M1 in den Kältemittelkreislauf 2 eingebunden ist. Die zweite Expansionseinrichtung 20 kann ein Expansionsventil sein. Dabei bildet die zweite Expansionsrichtung 20 im ersten Betriebsmodus M1 einen zweiten Übergang 21 zwischen Hoch- und Niederdruckbereich 3, 4 aus. Die zweite Expansionseinrichtung 20 kann zum Drosseln des den Kältemittelkreislauf 2 durchströmenden Kältemittels K im ersten Betriebsmodus M1 dienen, sodass sich im ersten Betriebsmodus M1 ein von stromauf der zweiten Expansionseinrichtung 20 nach stromab der zweiten Expansionseinrichtung 20 abfallendes Druckgefälle im Kältemittel K einstellen kann. Im zweiten Betriebsmodus M2 ist die zweite Expansionseinrichtung 20 außerhalb des Kältemittelkreislaufs 2 angeordnet. Die zweite Expansionseinrichtung 20 kann also im zweiten Betriebsmodus M2 nicht vom Kältemittel K durchströmt werden. Beispielsweise ist im ersten Betriebsmodus M1 die zweite Expansionseinrichtung 20 im Kältemittelkreislauf 2 zwischen dem zweiten inneren Wärmeübertrager 9 und dem Verdampfer 8 angeordnet. Im Beispiel der 1 und 2 bildet die zweite Expansionseinrichtung 20 die Umschalteinrichtung 35 bzw. die Umschaltventileinrichtung 33 aus.
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Anhand der 1 und 2 lässt sich erkennen, dass der äußere Wärmeübertrager 6 im ersten Betriebsmodus M1 im Hochdruckbereich 3 angeordnet ist, wohingegen der äußere Wärmeübertrager 6 im zweiten Betriebsmodus M2 im Niederdruckbereich 4 vorhanden ist. Dabei kann sich eine Durchströmungsrichtung, entlang welcher der äußere Wärmeübertrager 6 von Kältemittel K durchströmt werden kann, vom ersten Betriebsmodus M1 zum zweiten Betriebsmodus M2 hin umkehren und umgekehrt. Die Klimatisierungsanlage 1 weist beispielsweise eine vom Kältemittel K durchströmbare dritte Expansionseinrichtung 15 auf, die im zweiten Betriebsmodus M2 in den Kältemittelkreislauf 2 eingebunden ist. Dabei bildet die dritte Expansionseinrichtung 15 im zweiten Betriebsmodus M2 einen dritten Übergang 36 zwischen Hoch- und Niederdruckbereich 3, 4 aus. Die dritte Expansionseinrichtung 15 kann zum Drosseln des den Kältemittelkreislauf 2 durchströmenden Kältemittels K im zweiten Betriebsmodus M2 dienen, sodass sich im zweiten Betriebsmodus M2 ein von stromauf der dritten Expansionseinrichtung 15 nach stromab der dritten Expansionseinrichtung 15 abfallendes Druckgefälle im Kältemittel K einstellen kann. Im ersten Betriebsmodus M1 ist die dritte Expansionseinrichtung 15 vom Kältemittelkreislauf 2 getrennt. Im ersten Betriebsmodus 1 kann die dritte Expansionsrichtung 15 also nicht vom Kältemittel K durchströmt werden. Beispielsweise ist die dritte Expansionseinrichtung 15 im zweiten Betriebsmodus M2 bezüglich des Kältemittelkreislaufs 2 zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 und dem äußeren Wärmeübertrager 6 angeordnet.
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Darüber hinaus zeigen die 1 und 2, dass die Klimatisierungsanlage 1 einen im Hochdruckbereich 3 des Kältemittelkreislaufs 2 angeordneten und vom Kältemittel K durchströmbaren Kältemittelzwischenspeicher 22 aufweist, mittels welchem das Kältemittel K zwischengespeichert werden kann. Die Klimatisierungsanlage 1 umfasst beispielsweise ein Differenzdruckventil 23, das als Rückschlagventil realisiert sein kann. Im ersten Betriebsmodus M1 ist das Differenzdruckventil 23 im Hochdruckbereich 3 des Kältemittelkreislaufs 2 zwischen dem Kältemittelzwischenspeicher 22 und dem äußeren Wärmeübertrager 6 angeordnet. Dabei ist im ersten Betriebsmodus M1 der Kältemittelzwischenspeicher 22 im Hochdruckbereich 3 des Kältemittelkreislauf 2 zwischen dem Differenzdruckventil 23 und dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 angeordnet. Das Differenzdruckventil 23 ist ausschließlich von Kältemittel K durchströmbar, wenn ein am Differenzdruckventil 23 anliegendes Druckgefälle im Kältemittel K in Richtung des Kältemittelzwischenspeichers 22 abfällt. Demnach kann das Differenzdruckventil 23 im ersten Betriebsmodus M1 vom Kältemittel K durchströmt werden, wohingegen das Differenzdruckventil 23 im zweiten Betriebsmodus M2 sperrt und folglich nicht von Kältemittel K durchströmt werden kann. Damit kann eine Umkehrung der Durchströmungsrichtung, entlang welcher der äußere Wärmeübertrager 6 in den beiden Betriebsmodi M1, M2 durchströmt wird, bewirkt werden.
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Aus den 1 und 2 ergibt es sich außerdem, dass die Klimatisierungsanlage 1 eine im Hochdruckbereich 3 angeordnete und vom Kältemittel K durchströmbare 3/2-Wegeventileinrichtung 24 umfasst. Die 3/2-Wegeventileinrichtung 24 verbindet im ersten Betriebsmodus M1 den Kondensator 7 mit dem äußeren Wärmeübertrager 6 fluidisch. Im zweiten Betriebsmodus M2 verbindet die 3/2-Wegeventileinrichtung 24 den Kondensator 7 mit dem Kältemittelzwischenspeicher 22 fluidisch. Es ist ferner erkennbar, dass die Klimatisierungsanlage 1 eine zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand umschaltbare Ventileinrichtung 25 umfasst, die im zweiten Betriebsmodus M2 im Niederdruckbereich 4 angeordnet und von Kältemittel K durchströmbar ist. Dabei verbindet die Ventileinrichtung 25 im zweiten Betriebsmodus M2 den äußeren Wärmeübertrager 6 mit dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 fluidisch. Demgegenüber ist die Ventileinrichtung 25 im ersten Betriebsmodus M1 für das Kältemittel K undurchlässig, also geschlossen. Die Klimatisierungsanlage 1 umfasst außerdem einen im Kältemittelkreislauf 2 angeordneten und vom Kältemittel K durchströmbaren Verdichter 26. Der Verdichter 26 kann zum Antreiben des Kältemittels K durch den Kältemittelkreislauf 2 dienen. Der Verdichter 26 bildet einen vierten Übergang 27 zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich 3, 4 des Kältemittelkreislauf 2 aus. Der Verdichter 26 ist im Kältemittelkreislauf 2 zwischen dem ersten inneren Wärmeübertrager 5 im Niederdruckbereich 4 und dem Kondensator 7 im Hochdruckbereich 3 angeordnet.
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Dabei umfasst die Klimatisierungsanlage 1 gemäß dem Beispiel der 1 und 2 einen von der Klimatisierungsluft L durchströmbaren Klimatisierungsluftpfad 29, der sich entlang einer Klimatisierungsluftpfaderstreckungsrichtung EK erstreckt. Der Verdampfer 8, der Kondensator 7 und eine elektrische Heizeinrichtung 28 sind im Klimatisierungsluftpfad 29 bezüglich der Klimatisierungsluftpfaderstreckungsrichtung EK, entlang des Klimatisierungsluftpfads 29 von der Klimatisierungsluft L durchströmbar ist, hintereinander und je im Abstand zueinander aufgereiht. Die Klimatisierungsluft L kann also im Klimatisierungsluftpfad 29 nacheinander durch den Verdampfer 8, den Kondensator 7 und die elektrische Heizeinrichtung 28 - in dieser oder einer davon abweichenden Reihenfolge - geführt werden.
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Darüber hinaus zeigen die 1 und 2, dass die Klimatisierungsanlage 1 einen gesonderten Kühlmittelkreislauf 19 umfasst, in welchem ein Kühlmittel F zirkulieren kann oder zirkuliert. Das Kühlmittel F erfährt im Kühlmittelkreislauf 19 keinen Phasenübergang. Dabei ist im Kühlmittelkreislauf 19 ein Kühlmittelwärmeübertrager 30 angeordnet. Der Kühlmittelwärmeübertrager 30 ist in einem von der Außenluft A durchströmbaren Außenluftpfad 31 vorhanden. Zur Wärmeübertragung zwischen der Außenluft A und dem Kühlmittelkreislauf 19 koppelt der Kühlmittelwärmeübertrager 30 den Kühlmittelkreislauf 19 thermisch an die Außenluft A. Dabei ist der äußere Wärmeübertrager 6 ebenfalls im Außenluftpfad 31 angeordnet. Der Außenluftpfad 31 erstreckt sich entlang einer Außenluftpfaderstreckungsrichtung EA, entlang welcher der Außenluftpfad 31 auch von der Außenluft A durchströmbar ist. Bezüglich der Außenluftpfaderstreckungsrichtung EA ist der äußere Wärmeübertrager 6 im Außenluftpfad 31 im Abstand zum Kühlmittelwärmeübertrager 30 angeordnet. Darüber hinaus kann im Außenluftpfad 31 ein Gebläse angeordnet sein, welches zum Antreiben der Außenluft A durch den Außenluftpfad 31 entlang der Außenluftpfaderstreckungsrichtung EA dient. Der elektrische Energiespeicher 54 des wenigstens teilelektrifiziert Kraftfahrzeugs 50 kann im Kühlmittelkreislauf 19 angeordnet sein. Darüber hinaus kann auch der elektrische Antrieb 52 des Kraftfahrzeugs 50 im Kühlmittelkreislauf 19 angeordnet sein. Auch eine Steuer-/Regelungselektronik 55 des Kraftfahrzeugs 50 kann im Kühlmittelkreislauf 19 angeordnet sein. Der Kühlmittelkreislauf 19 kann zum Temperieren der voranstehend aufgezählten Komponenten dienen. Darüber hinaus kann im Kühlmittelkreislauf 19 ein elektrischer Kühlmittelheizer 53 vorhanden sein, mittels welchem dem Kühlmittel F Wärme zugeführt werden kann. Der Kühlmittelkreislauf 19 kann zwei Schleifen umfassen, von welchen eine den Kühlmittelwärmeübertrager 30 und die andere den Kühlmittelheizer 53 umfasst. Die beiden Schleifen können einander mit zwei Schnittpunkten überlappen, wobei an jedem der Schnittpunkte eine Ventilvorrichtung vorhanden ist, mittels welcher eine Verteilung von Kühlmittel F auf die Schleifen variiert werden kann. Damit erlaubt es der Kühlmittelkreislauf 19 durch geeignete Steuerung der Ventilvorrichtungen, den elektrischen Antrieb 52, die Steuer-/Regelungselektronik 55 sowie den elektrischen Energiespeicher 54 wahlweise entweder zu beheizen oder zu kühlen. Der Kühlmittelkreislauf 19 kann also auch als Heizkreislauf fungieren.
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Bei der Klimatisierungsanlage 1 der 1 und 2 können die beiden inneren Wärmeübertrager 5, 9 so ausgelegt und in die Verschaltung des Kältekreislaufs 2 eingebunden sein, dass hierfür im Vergleich zu herkömmlichen Klimatisierungsanlagen keine speziellen Ventile und Leitungen erforderlich sind. Hierzu kann der erste innere Wärmeübertrager 5 so eingebunden sein, dass er im Betrieb der Klimatisierungsanlage 1 sowohl im Kältemaschinen- also auch im Wärmepumpenbetrieb - also in beiden Betriebsmodi M1, M2 - immer und mit dem gesamten im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierenden Massenstrom an Kältemittel Kauf seiner Hoch- und seiner Niederdruckseite durchströmt wird. Die Hochdruckseite kann im Hochdruckpfad 10 und die Niederdruckseite kann im Niederdruckpfad 11 vorhanden sein. Dabei kann sich eine Auslegung des ersten inneren Wärmeübertrager 5 im Wesentlichen an den für den Wärmepumpenbetrieb, also den zweiten Betriebsmodus M2, relevanten Betriebsbedingungen orientieren. Eine solche für den zweiten Betriebsmodus M2 besonders relevante Betriebsbedingung kann eine hohe Temperaturdifferenz bei einem geringen Kältemittelmassenstrom sein.
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Gemäß den 1 und 2 kann der erste innere Wärmeübertrager 5 so eingebunden sein, dass er im Betrieb der Klimatisierungsanlage 1 im Hochdruckbereich 3 stromab des Kältemittelzwischenspeichers 22 und stromauf der zur Wärmeaufnahme im Kältemittelkreislauf 2 befindlichen Komponenten - also Verdampfer 8, Chiller 18 und äußerer Wärmeübertrager 6 - angeordnet ist. Bezüglich des Niederdruckbereichs 4 kann sich der erste innere Wärmeübertrager 5 stromab dieser zur Wärmeaufnahme im Kältemittelkreislauf 2 befindlichen Komponenten in einem Leitungsabschnitt befinden, der in einer Strömungsrichtung, die in den 1 und 2 mittels Pfeilen illustriert ist und entlang welcher das Kältemittel K den Kältemittelkreislauf 2 im Betrieb der Klimatisierungsanlage 1 durchströmt, nach einer letzten Kältemittelrückleitung von besagten Komponenten vorhanden sein kann. Damit einhergehend kann der erste innere Wärmeübertrager 5 vom gesamten zum Verdichter 26 führenden Kältemittelmassenstrom durchströmt werden.
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Um im Kältemaschinenbetrieb - also dem in 1 illustrierten ersten Betriebsmodus M1 - die Effizienz des Kältemittelkreislaufs 2 bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem Hochdruckbereich 3 und dem Niederdruckbereich 4 und bei größeren Kältemittelmassenströmen weiter zu steigern, kann der zweite innere Wärmeübertrager 9 verwendet werden. Der zweite innere Wärmeübertrager 9 kann ausschließlich vom zum Verdampfer 8 strömenden Massenstrom an Kältemittel K durchströmt werden. Somit kann der zweite innere Wärmeübertrager 9 nur dann wirksam sein, wenn der Verdampfer 8 betrieben wird. Eine entsprechende Abschaltvorrichtung zum Deaktivieren des zweiten inneren Wärmeübertragers 9 kann in vorteilhafter Weise mittels der zweiten Expansionseinrichtung 20 realisiert sein, die ohnehin vorhanden sein muss, damit der Verdampfer 8 während des Wärmepumpenbetriebs - also im zweiten Betriebsmodus M2 - nicht von Kältemittel K durchströmt wird. Damit kann bei der Klimatisierungsanlage 1 der 1 und 2 in beiden Betriebsmodi M1, M2 ein gesamter Massenstrom an durch den Kältemittelkreislauf 2 geführtem Kältemittel K zur Konditionierung der Klimatisierungsluft L genutzt werden.
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1 lässt außerdem erkennen, dass im ersten Betriebsmodus M1 das Kältemittel K ausgehend vom Verdichter 26 zunächst durch den Kondensator 7 strömen kann und zwar ohne dort Wärme abzugeben, da der Kondensator 7 in diesem Betriebsfall nicht mit Klimatisierungsluft L durchströmt und hinsichtlich der Wärmeübertragung somit passiv sein kann. Stattdessen kann das Kältemittel K die bei seiner Kondensation anfallende Wärme über den äußeren Wärmeübertrager 6 an die Außenluft A, die in eine äußere Umgebung der Klimatisierungsanlage 1 bzw. des Kraftfahrzeugs 50 abgeführt werden kann, abgeben, bevor es in den Kältemittelzwischenspeicher 22 einströmt. Anschließend kann das Kältemittel K in den Hochdruckpfad 10 des ersten inneren Wärmeübertrager 5 gelangen, wo es zur Wärmeübertragung an das durch den Niederdruckpfad 11 zum Verdichter 26 zurückströmenden Kältemittels K kommen kann. Nach Verlassen des Hochdruckpfads 10 des ersten inneren Wärmeübertragers 5 kann das Kältemittel K zum Chiller 18 oder/und zum Verdampfer 8 strömen, um dort nach einem Expansionsvorgang Wärme aus dem Kühlmittel F oder/und aus der Klimatisierungsluft L aufzunehmen. Der zum Verdampfer 8 geleitete Massenstrom an Kühlmittel K kann zur Wärmeübertragung vom warmen Kältemittel K im Hochdruckpfad 10 des zweiten inneren Wärmeübertragers 9 zum kalten Kältemittel K im Niederdruckpfad 11 des zweiten inneren Wärmeübertragers 9 den zweiten inneren Wärmeübertrager 9 durchströmen. Nach Verlassen des Niederdruckpfads 11 des zweiten inneren Wärmeübertragers 9 kann das Kältemittel K wieder mit dem vom Chiller 18 kommenden Kältemittel K zu einem Gesamtmassenstrom an Kältemittel K vereinigt werden, welcher anschließend durch den ersten inneren Wärmeübertrager 5 geleitet wird und nach dortiger Wärmeaufnahme wieder zum Verdichter 26 gelangt.
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Die Klimatisierungsanlage 1 kann - obgleich in den 1 und 2 nicht gezeigt - auch in einem ausschließlichen Verdampferkühlbetrieb betrieben werden, in welchem der Chiller 18 außer Betrieb ist. Um den Chiller 18 außer Betrieb zu nehmen, kann ein Strom an Kühlmittel F durch den Chiller 18 mittels der Ventilvorrichtungen des Kühlmittelkreislaufs 19 gestoppt werden. Alternativ kann das Kühlmittel F den Chiller 18 ohne Wärmeübergang passiv durchströmen, wenn der Chiller 18 außer Betrieb gesetzt ist. Außerdem kann der Strom an Kältemittel K durch den Chiller 18 gestoppt werden. Hierzu kann analog zum Verdampfer 8 entweder ein verschließbares Expansionsventil oder ein Schaltventil in der Chiller-Zuleitung eingesetzt werden. Im ausschließlichen Verdampferkühlbetrieb kann der komplette Kältemittelmassenstrom sowohl durch den ersten inneren Wärmeübertrager 5 als auch den zweiten inneren Wärmeübertrager 9 geleitet werden, was einer unmittelbaren Hintereinanderschaltung der beiden inneren Wärmeübertrager 5, 9 entspricht.
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Gemäß 2 kann im zweiten Betriebsmodus M2 - also im Wärmepumpenbetrieb - nach Verdichtung des Kältemittels K im Verdichter 26 das Kältemittel K zum Kondensator 7 geleitet werden, der im zweiten Betriebsmodus M2 von der Klimatisierungsluft L durchströmt werden kann. Somit kann es im zweiten Betriebsmodus M2 im Kondensator 7 zu einer Kondensation des Kältemittels K und damit einhergehend zur Wärmeübertragung wenigstens eines Teils der Kondensationswärme des Kältemittel K an die Klimatisierungsluft L kommen. Anschließend kann das Kältemittel K zum Kältemittelzwischenspeicher 22 gelangen und in den Hochdruckpfad 10 des ersten Wärmeübertragers 5 einströmen. Nach Verlassen des Hochdruckpfads 10 des ersten inneren Wärmeübertrager 5 kann der gesamte Massenstrom an Kältemittel K aufgeteilt werden und zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung bzw. aus der Außenluft A zum äußeren Wärmeübertrager 6 oder/und zur Wärmeaufnahme aus dem Kühlmittel F zum Chiller 18 geleitet werden. Der Verdampfer 8 kann im Wärmepumpenbetrieb - also im zweiten Betriebsmodus M2 - nicht betrieben werden, womit einhergehend der zweite innere Wärmeübertrager 9 automatisch mit außer Betrieb genommen werden kann. Nach Expansion des Kältemittels K und Wärmeaufnahme durch das Kältemittel K im äußeren Wärmeübertrager 6 oder/und im Chiller 18 können sich die zuvor aufgeteilten Kältemittelmassenströme wieder zum Gesamtmassenstrom an Kältemittel K vereinigen und zum Niederdruckpfad 11 des ersten inneren Wärmeübertrager 5 gelangen. Im Niederdruckpfad 11 des ersten inneren Wärmeübertrager 5 kann das Kältemittel K Wärme vom Hochdruckpfad 10 des ersten inneren Wärmeübertrager 5 aufnehmen, bevor das Kältemittel K wieder zum Verdichter 26 gelangen kann.
