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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wärmemanagementsysteme für Kraftfahrzeuge und insbesondere auf die Kabinenheizungs-, -lüftungs- und -klimatisierungssysteme und deren Betrieb.
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Während herkömmliche Systeme und Verfahren des Wärmemanagements in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen gut eingeführt sind und teilweise in innovativen Antriebssystemen, wie z. B. Batterieelektrofahrzeugen (BEVs), Hybridelektrofahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, verwendet werden können, ist die Menge an verfügbarer überschüssiger Wärmeenergie viel geringer als in einem Brennkraftmaschinensystem. Folglich besteht ein Bedarf an verbesserten Wärmemanagementsystemen und -verfahren, die Wärmeenergie effizient sammeln, speichern und an Fahrzeugsysteme verteilen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug mehrere Fluidströmungskreisläufe, einschließlich eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungskreislaufs (HLK-Kreislaufs), durch den eine Kältemittelströmung zirkuliert. Der HLK-Kreislauf enthält einen Verdampfer, einen Kühler-Wärmetauscher, der parallel zum Verdampfer angeordnet ist, ein erstes Expansionsventil, das sich stromaufwärts des Verdampfers befindet, ein zweites Expansionsventil, das sich stromaufwärts des Kühler-Wärmetauschers befindet, und einen Wärmetauscher, der sich fluidtechnisch stromaufwärts des ersten Expansionsventils und des zweiten Expansionsventils befindet. Durch einen Antriebskühlkreislauf zirkuliert eine Kühlmittelströmung. Die Kühlmittelströmung wird verwendet, um eine oder mehrere Antriebskomponenten des Fahrzeugs zu konditionieren. Die Kühlmittelströmung wird durch den Wärmetauscher geleitet, um Wärmeenergie mit einer Kältemittelströmung auszutauschen, wobei folglich die Kältemittelströmung unterkühlt wird. Ein Controller ist betriebstechnisch mit einem oder mehreren Steuerpunkten des Wärmemanagementsystems verbunden. Der Controller ist konfiguriert, den einen oder die mehreren Steuerpunkte einzustellen, um einen Sollbetrag der Unterkühlung der Kältemittelströmung am Wärmetauscher zu erreichen.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Steuerpunkte eine Kühlmittelheizvorrichtung des Antriebskühlkreislaufs, eine Antriebskonditionierungskreislaufpumpe oder einen Kompressor des HLK-Kreislaufs.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die eine oder die mehreren Antriebssystemkomponenten ein wiederaufladbares Energiespeichersystem.
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Zusätzlich oder alternativ zirkuliert gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen eine Antriebskühlmittelströmung durch einen Antriebseinheits-Kühlkreislauf, um die Kühlung einer oder mehrerer Antriebseinheiten des Fahrzeugs bereitzustellen. Der Antriebseinheits-Kühlkreislauf ist mit dem Antriebskühlkreislauf an einem Antriebseinheits-Kühlkreislaufwärmetauscher betriebstechnisch verbunden.
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Zusätzlich oder alternativ treibt gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen eine Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe die Antriebskühlmittelströmung entlang dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf an.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Steuerpunkte die Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe.
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Zusätzlich oder alternativ befindet sich gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen ein Niedertemperaturkühler entlang dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Steuerpunkte eine Durchflussmenge des Antriebskühlmittels durch den Niedertemperaturkühler.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems Bereitstellen mehrerer Fluidströmungskreisläufe einschließlich eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungskreislaufs (HLK-Kreislaufs), durch den eine Kältemittelströmung zirkuliert, und eines Antriebskühlkreislaufs, durch den eine Kühlmittelströmung zirkuliert. Der Antriebskühlkreislauf ist über einen Wärmetauscher fluidtechnisch mit dem HLK-Kreislauf verbunden. Der Betrag des Unterkühlens der Kältemittelströmung, die einem oder mehreren Expansionsventilen bereitgestellt werden soll, die sich stromabwärts des Wärmetauschers befinden, wird gewählt. Eine Soll-Kühlmitteltemperatur und eine Soll-Kühlmitteldurchflussmenge in den Wärmetauscher, um den gewählten Betrag des Unterkühlens zu erreichen, werden bestimmt. Ein oder mehrere Steuerpunkte des Wärmemanagementsystems werden eingestellt, um die Soll-Kühlmitteltemperatur und die Soll-Kühlmitteldurchflussmenge zu erreichen.
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Zusätzlich oder alternativ wird gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die Soll-Kühlmitteltemperatur unter Verwendung einer Sättigungstemperatur der Kältemittelströmung und einer Last des HLK-Kreislaufs gewählt.
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Zusätzlich oder alternativ wird gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die Soll-Kühlmitteldurchflussmenge unter Verwendung der Sättigungstemperatur der Kältemittelströmung, der Last des HLK-Kreislaufs und einer Temperatur der Kühlmittelströmung gewählt.
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Zusätzlich oder alternativ werden gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die Soll-Kühlmitteltemperatur oder die Soll-Kühlmitteldurchflussmenge basierend auf einer Menge der Wärmeabgabe in der Kühlmittelströmung an einem Kühler des Wärmemanagementsystems eingestellt, der sich fluidtechnisch stromaufwärts des Wärmetauschers befindet.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Steuerpunkte eine Kühlmittelheizvorrichtung des Antriebskonditionierungskreislaufs, eine Antriebskonditionierungskreislaufpumpe oder einen Kompressor des HLK-Kreislaufs.
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Zusätzlich oder alternativ wird gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die Kühlmittelströmung verwendet, um eine oder mehrere Antriebskomponenten eines Fahrzeugs zu konditionieren.
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Zusätzlich oder alternativ enthält das Wärmemanagementsystem gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen einen Antriebseinheits-Kühlkreislauf, durch den eine Antriebskühlmittelströmung zirkuliert, um einer oder mehrerer Antriebseinheiten des Fahrzeugs Kühlung bereitzustellen. Der Antriebseinheits-Kühlkreislauf ist mit dem Antriebskühlkreislauf an einem Antriebseinheits-Kühlkreislaufwärmetauscher betriebstechnisch verbunden.
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Zusätzlich oder alternativ ist gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die Antriebskühlmittelströmung über eine Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe entlang dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf angetrieben.
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Zusätzlich oder alternativ dazu enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehrere Steuerpunkte die Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe.
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Zusätzlich oder alternativ befindet sich gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen ein Niedertemperaturkühler entlang dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf.
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Zusätzlich oder alternativ enthalten gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Steuerpunkte eine Durchflussmenge des Antriebskühlmittels durch den Niedertemperaturkühler.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform enthält ein nicht transitorisches computerlesbares Medium Anweisungen, um einen Controller zu veranlassen, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems auszuführen. Das Verfahren enthält das Bereitstellen mehrerer Fluidströmungskreisläufe einschließlich eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungskreislaufs (HLK-Kreislaufs), durch den eine Kältemittelströmung zirkuliert, und eines Antriebskühlkreislaufs, durch den eine Kühlmittelströmung zirkuliert, wobei der Antriebskühlkreislauf an einem Wärmetauscher mit dem HLK-Kreislauf fluidtechnisch verbunden ist. Ein Betrag des Unterkühlens der Kältemittelströmung, der einem oder mehreren Expansionsventilen bereitgestellt werden soll, die fluidtechnisch stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet sind, wird gewählt, eine Soll-Kühlmitteltemperatur und eine Soll-Kühlmitteldurchflussmenge in den Wärmetauscher werden gewählt, um den gewählten Betrag des Unterkühlens zu erreichen, und ein oder mehrere Steuerpunkte des Wärmemanagementsystems werden eingestellt, um die Soll-Kühlmitteltemperatur und die Soll-Kühlmitteldurchflussmenge zu erreichen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten erscheinen in der folgenden ausführlichen Beschreibung lediglich beispielhaft, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht; es zeigen:
- 1 eine schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Wärmemanagementsystems für ein Fahrzeug; und
- 2 eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems für ein Fahrzeug.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Art und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sollte erkannt werden, dass überall in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist in 1 eine schematische Veranschaulichung eines Wärmemanagementsystems 10 für ein Fahrzeug gezeigt. Das Wärmemanagementsystem 10 enthält mehrere miteinander verbundene Fluidströmungskreisläufe, um die Wärmeenergiebedarfe der verschiedenen Fahrzeugsysteme und -komponenten zu managen. Ein erster Fluidströmungskreislauf ist ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungskreislauf (HLK-Kreislauf) 12. Der HLK-Kreislauf 12 zirkuliert eine Kältemittelströmung entlang einem Kältemittelweg 14 und nutzt die Kältemittelströmung, um z. B. eine Kabine 16 des Fahrzeugs durch Bereitstellen entweder einer Wärme- oder einer Kühlungsluftströmung für die Kabine 16 zu klimatisieren. Ein zweiter Fluidströmungskreislauf ist ein Antriebskonditionierungskreislauf 18. Die Antriebskonditionierungskreislauf 18 zirkuliert eine Kühlmittelströmung entlang einem Antriebskonditionierungsweg 20 und nutzt die Kühlmittelströmung, um Antriebskomponenten, z. B. ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) 22, eine Brennstoffzelle oder dergleichen, auf einer Soll-Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Das RESS 22 kann eines oder mehrere von wiederaufladbaren elektrischen Antriebsbatterien, elektrischen Doppelschichtkondensatoren oder einem Schwungrad-Energiespeicher sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt leicht, dass die Erörterung der Verwendung des RESS 22 in der vorliegenden Anwendung lediglich beispielhaft ist und dass andere Antriebssystemkomponenten in dem Antriebskonditionierungskreislauf 18 verwendet werden können. Ein dritter Fluidströmungskreislauf ist der Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24, der eine Strömung eines Antriebseinheitskühlmittel entlang einem Antriebskühlweg 26 zirkuliert. Die Strömung des Antriebseinheitskühlmittels wird verwendet, um eine oder mehrere Antriebseinheiten 28 des Fahrzeugs zu kühlen, die gemäß einigen Ausführungsformen betriebstechnisch mit dem RESS 22 verbunden sind und unter Verwendung von Energie aus dem RESS 22 angetrieben sein können. Jeder Fluidströmungskreislauf wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
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Der HLK-Kreislauf 12 enthält einen Kompressor 30, der die Kältemittelströmung entlang dem Kältemittelweg14 komprimiert und antreibt. Der HLK-Kreislauf 12 enthält einen Frontkondensator 32 und einen Heizkondensator 34, die parallel angeordnet sind, wobei die Kältemittelströmung durch Betätigung des jeweiligen Frontkondensatorventils 36 und des Heizkondensatorventils 38 wahlweise durch den Frontkondensator 32 und/oder den Heizkondensator 34 strömt. Vom Heizkondensator 34 und vom Frontkondensator 32 wird die Kältemittelströmung in Richtung eines Verdampfers 40 und eines oder mehrerer Kühler 42 geleitet, die fluidtechnisch parallel zum Verdampfer 40 angeordnet sind. Ein erstes Expansionsventil 44 und ein zweites Expansionsventil 46 befinden sich fluidtechnisch stromaufwärts des Verdampfers 40 bzw. des Kühlers 42. Von dem Verdampfer 40 und dem Kühler 42 wird die Kältemittelströmung zu dem Kompressor 30 zurückgeführt.
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Der Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 zirkuliert die Antriebskühlmittelströmung entlang dem Antriebskühlweg 26, wie sie durch eine Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe 48 angetrieben ist. Von der Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe 48 strömt das Antriebskühlmittel durch die Antriebseinheiten 28, um ihnen Kühlung bereitzustellen. Gemäß derartigen Ausführungsformen, wie z. B. veranschaulicht ist, enthält das Fahrzeug zwei Antriebseinheiten 28, während gemäß anderen Ausführungsformen andere Anzahlen von Antriebseinheiten 28 entlang dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 angeordnet sein können und/oder mehr als ein Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 verwendet werden kann, um die Antriebseinheiten 28 zu kühlen. Wie in 1 veranschaulicht ist, sind die Antriebseinheiten 28 im Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 fluidtechnisch parallel angeordnet, während gemäß anderen Ausführungsformen die Antriebseinheiten 28 seriell angeordnet sein können. Ein Bord-Lademodul (OBCM) 50 befindet sich zwischen der Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe 48 und den Antriebseinheiten 28, so dass die Antriebskühlmittelströmung Wärmeenergie von dem OBCM 50 und den Antriebseinheiten 28 absorbiert. Die Antriebskühlmittelströmung wird optional durch einen Niedertemperaturkühler 52 und durch einen Antriebseinheits-Kühlkreislaufwärmetauscher 54 zur Antriebseinheits-Kühlkreislaufpumpe 48 zurückgeführt. Gemäß einigen Ausführungsformen wird überschüssiges Antriebskühlmittel in einen Ausgleichsbehälter 56 geleitet, bis es durch den Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 benötigt wird. Ein Rückschlagventil 58 kann zwischen dem Niedertemperaturkühler 52 und dem Ausgleichsbehälter 56 angeordnet sein, um die Antriebskühlmittelströmung in den Ausgleichsbehälter 56 zu steuern.
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Der Antriebskonditionierungskreislauf 18 ist sowohl mit dem HLK-Kreislauf 12 als auch mit dem Antriebseinheits-Kühlkreislauf 24 thermisch verbunden. Die Kühlmittelströmung ist über eine Antriebskonditionierungskreislaufpumpe 60 entlang dem Antriebskonditionierungsweg 20 angetrieben. Die Kühlmittelströmung geht zu einer Kühlmittelheizvorrichtung 62 weiter, die, wenn sie aktiviert ist, die Kühlmittelströmung erwärmt. Von der Kühlmittelheizvorrichtung 62 geht die Kühlmittelströmung zum Kühler 42 weiter, wo die Kühlmittelströmung Wärmeenergie mit der Kältemittelströmung im HLK-Kreislauf 12 austauscht, das Kältemittel erwärmt und das Kühlmittel abkühlt. Von dem Kühler 42 geht die Kühlmittelströmung zu einem Wärmetauscher 64, z. B. einem Koaxialrohr-Wärmetauscher, der entlang dem Antriebskonditionierungskreislauf 18 fluidtechnisch stromabwärts des Kühlers 42 und im HLK-Kreislauf 12 fluidtechnisch stromaufwärts des ersten Expansionsventils 44 und des zweiten Expansionsventils 46 positioniert ist, weiter. Am Wärmetauscher 64 tauscht die vom Kühler 42 ausgegebene gekühlte Kühlmittelströmung Wärmeenergie mit der Kältemittelströmung aus, um die Kältemittelströmung zu unterkühlen, bevor die Kältemittelströmung das erste Expansionsventil 44 und das zweite Expansionsventil 46 erreicht. Die Kühlmittelströmung geht dann zum RESS 22, um das RESS 22 thermisch zu konditionieren, und dann durch den Antriebseinheits-Kühlkreislaufwärmetauscher 54, um Wärmeenergie mit der Antriebskühlmittelströmung auszutauschen, weiter, bevor sie zur Antriebskonditionierungskreislaufpumpe 60 zurückkehrt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Kühlmittelströmung verwendet werden, um andere Komponenten, wie z. B. einen Ladeanschluss 68 des Fahrzeugs, zu kühlen. Ein Controller 66 ist betriebstechnisch mit einem oder mehreren Steuerpunkten des Wärmemanagementsystems 10 verbunden, um dessen Betrieb zu steuern.
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In 2 wird ein Verfahren verwendet, um das Wärmemanagementsystem 10 zu betreiben, um einen gewünschten Betrag des Unterkühlens der in das erste Expansionsventil 44 und das zweite Expansionsventil 46 eintretenden Kältemittelströmung bereitzustellen. Dies wird durch Überwachen und Modifizieren der Parameter, wie z. B. der Durchflussmenge und der Temperatur, der in den Wärmetauscher 64 eintretenden Kühlmittelströmung erreicht. Im Block 100 wird eine Soll-Unterkühlungstemperatur des Kältemittels bestimmt, wobei aus dieser im Block 102 eine Soll-Kühlmitteltemperatur und eine Soll-Kühlmitteldurchflussmenge gewählt werden. Die Soll-Kühlmitteltemperatur kann z. B. unter Verwendung der Sättigungstemperatur der Kältemittelströmung und der Last des HLK-Kreislaufs 12 gewählt werden. Ähnlich kann die Soll-Kühlmitteldurchflussmenge der Kühlmittelströmung unter Verwendung der Sättigungstemperatur der Kältemittelströmung, der Last des HLK-Kreislaufs 12 und einer Temperatur der Kühlmittelströmung gewählt werden. Im Block 104 werden unter Berücksichtigung der Wärmeabgabe in der Kühlmittelströmung, die an dem Kühler 42 auftritt, und/oder anderer Wärmelasten eine eingestellte Kühlmittel-Solltemperatur und eine eingestellte Kühlmitteldurchflussmenge bestimmt. Um die eingestellte Kühlmittel-Solltemperatur und die eingestellte Kühlmitteldurchflussmenge zu erreichen, werden im Block 106 ein oder mehrere Steuerpunkte des Wärmemanagementsystems 10 eingestellt. Die Steuerpunkte enthalten z. B. die Drehzahl der Antriebskonditionierungskreislaufpumpe 60, um die Kühlmitteldurchflussmenge einzustellen, die Strömung des Antriebskühlmittels durch den Niedertemperaturkühler 52 und/oder in den Ausgleichsbehälter 56, wodurch die Antriebskühlmittelströmung durch den Antriebseinheits-Kühlkreislaufwärmetauscher 54 verändert wird. Zusätzlich kann der Betrieb der Kühlmittelheizvorrichtung 62 geändert werden, um die Kühlmitteltemperatur einzustellen.
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Zusätzlich können, wie erörtert worden ist, ein oder mehrere Prozesse 100-106 in Hardware, Firmware, Software oder irgendeiner Kombination davon implementiert sein. Beispielhafte Ausführungsformen können außerdem als Anweisungen implementiert sein, die in einem nichtflüchtigen, nicht transitorischen maschinenlesbaren Medium gespeichert sind. Diese sind durch einen oder mehrere Prozessoren lesbar und ausführbar. Ein maschinenlesbares Medium enthält irgendeinen Mechanismus zum Speichern oder Übertragen von Informationen in einer Form, die durch eine Maschine (z. B. eine Rechenvorrichtung) gelesen werden kann. Das maschinenlesbare Medium kann z. B. ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, -gerät oder -vorrichtung oder irgendeine geeignete Kombination der vorhergehenden sein, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Spezifischere Beispiele (eine nicht vollständige Liste) des computerlesbaren Speichermediums enthalten das Folgende: eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), einen löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM oder Flash-Speicher), eine optische Faser, einen tragbaren Kompaktplatten-Festwertspeicher (CD-ROM), eine optische Speichervorrichtung, eine magnetische Speichervorrichtung oder irgendeine geeignete Kombination der vorhergehenden.
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Das Bereitstellen des Wärmetauschers 64 und die Vorkonditionierung der Kühlmittelströmung, die in den Wärmetauscher 64 eintritt, basierend auf den Betriebsparametern des HLK-Kreislaufs 12, ermöglicht es der Kühlmittelströmung, der Kältemittelströmung am Wärmetauscher 64 einen gewählten Betrag der Unterkühlung bereitzustellen, bevor die Kältemittelströmung zum ersten Expansionsventil 44 und zum zweiten Expansionsventil 46 strömt.
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Während die obige Offenbarung bezüglich beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird durch die Fachleute auf dem Gebiet erkannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für deren Elemente ersetzt werden können, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Schutzumfang abzuweichen. Deshalb soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt werden, wobei aber die vorliegende Offenbarung alle Ausführungsformen enthält, die in ihren Schutzumfang fallen.
