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Die Erfindung ist aus dem Bereich der Belüftungs-, Heiz- und/oder Klimaanlagen eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugs. Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauschmodul und ein dazugehöriger Klimatisierungskreislauf, die mit einer derartigen Anlage zusammenwirken.
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Ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug, dessen Antrieb zumindest teilweise über einen Elektromotor sichergestellt wird, ist üblicherweise mit einem Belüftungs-, Heiz- und/oder Klimatisierungssystem ausgestattet, um die innerhalb des Fahrzeugfahrgastraums enthaltene Luft zu verändern, indem ein klimatisierter Luftstrom in den Fahrgastraum eingeleitet wird.
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Der Klimatisierungskreislauf weist im Allgemeinen eine Klimatisierungsschleife auf, in der ein Kühlfluid zirkuliert, und eine sekundäre Schleife, in der ein Wärmeträgerfluid zirkuliert.
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Es sind Klimatisierungskreisläufe mit direkter Kondensation oder Klimatisierungskreisläufe mit indirekter Kondensation bekannt.
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In letzterem Fall ist ein Zwei-Fluid-Wärmetauscher sowohl Bestandteil der Klimatisierungsschleife als auch der sekundären Schleife, so dass das Kühlfluid und das Wärmeträgerfluid miteinander Wärme austauschen können.
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Herkömmlicherweise umfasst die Klimatisierungsschleife einen Verdichter zur Verdichtung des Kühlfluids, einen ersten Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und der Umgebungsluft, wie etwa Luft außerhalb des Fahrzeugs, einen Verdampfer, in dem das Kühlfluid mit dem Luftstrom, der in den Fahrgastraum eingeleitet werden soll und durch den Verdampfer strömt, Wärme austauscht, und mindestens ein Druckminderungsorgan, um eine Druckminderung des Kühlfluids vor der Verdampfung zu ermöglichen.
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Der erste Wärmetauscher ist beispielsweise ein Tauscher für das Unterkühlen des Kühlfluids nach der Kondensation in dem Zwei-Fluid-Wärmetauscher.
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Die sekundäre Schleife umfasst ihrerseits einen zweiten Wärmetauscher, mit dem es beispielsweise möglich ist, das aus dem Zwei-Fluid-Wärmetauscher austretende Wärmeträgerfluid zu kühlen.
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Diese Lösungen können jedoch aufgrund der Vielfalt an Wärmetauschern zu einem hohen Platzverbrauch führen. Die gesamten Komponenten können nämlich ein hohes Volumen und auch ein hohes Gewicht haben.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Klimatisierungskreislauf vorzuschlagen, mit dem ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug ausgestattet werden soll und dessen Platzverbrauch, Masse und Kosten gesenkt werden.
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Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung ein Wärmeaustauschmodul für einen Kraftfahrzeug-Klimatisierungskreislauf, mit einer Klimatisierungsschleife, in der ein Kühlfluid zirkuliert, und einer sekundären Schleife, in der ein Wärmeträgerfluid zirkuliert,
dadurch gekennzeichnet, dass das Modul Folgendes aufweist:
- – einen ersten Wärmetauscher, der für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und einem Außenluftstrom angeordnet ist, und
- – einen zweiten Wärmetauscher, der für einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Außenluftstrom angeordnet ist.
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Der erste Wärmetauscher ist insbesondere ein Tauscher für das Unterkühlen des Kühlfluids und der zweite Wärmetauscher ein Kühler zum Kühlen des Wärmeträgerfluids, so dass das Wärmeaustauschmodul gleichzeitig die Funktion des Unterkühlens des Kühlfluids und die Funktion des Kühlens des Wärmeträgerfluids übernimmt.
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Ein derartiges Modul ist somit multifunktional und ermöglicht eine Einsparung bei Masse, Gewicht und Kosten des multifunktionalen Wärmeaustauschmoduls und somit des Klimatisierungskreislaufs, der ein derartiges Wärmeaustauschmodul aufweist.
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Darüber hinaus sind die beiden Wärmetauscher vorteilhafterweise mit der gleichen Technik ausgeführt, so dass die Montage des Wärmeaustauschmoduls vereinfacht ist.
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Das Wärmeaustauschmodul kann ferner eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale, einzeln oder in Kombination, aufweisen:
- – der erste Wärmetauscher ist ein Tauscher zum Unterkühlen des Kühlfluids und der zweite Wärmetauscher ein Kühler zum Kühlen des Wärmeträgerfluids;
- – das Modul weist ein Wärmeaustauschbündel auf mit mehreren Fluidzirkulationsrohren und einer inneren Trennwand, die mindestens ein erstes Zwischenbündel für die Zirkulation des Kühlfluids und mindestens ein zweites Zwischenbündel für die Zirkulation des Wärmeträgerfluids begrenzt. Die beiden Wärmetauscher sind nach der gleichen Technik ausgeführt, wobei die beiden Funktionen getrennt werden können, indem lediglich einen Trennwand zur Abtrennung der Rohre, die für eine Funktion vorgesehen sind, von den Rohren, die für die andere Funktion vorgesehen sind, angeordnet wird.
- – das Modul weist mehrere Rippen auf, die im Wesentlichen senkrecht zu den Fluidzirkulationsrohren angeordnet sind, um den Wärmeaustausch beim Durchströmen des Außenluftstroms zu verbessern;
- – das Modul weist eine Kühlfluidspeicherflasche auf, wodurch der Platzverbrauch noch weiter reduziert werden kann; und
- – das Modul wird durch Löten angebracht.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Kraftfahrzeug-Klimatisierungskreislauf, mit einer Klimatisierungsschleife, in der ein Kühlfluid zirkuliert, und mit einer sekundären Schleife, in der ein Wärmeträgerfluid zirkuliert,
- – wobei die Klimatisierungsschleife Folgendes aufweist: einen Verdichter, mindestens einen ersten Wärmetauscher, der für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und einem Außenluftstrom angeordnet ist, einen Verdampfer, der so angeordnet ist, dass er einen Luftstrom, der für den Fahrzeug-Fahrgastraum bestimmt ist, klimatisiert, und mindestens ein Druckminderungsorgan, das in Kühlfluidzirkulationsrichtung stromaufwärts des Verdampfers angeordnet ist,
- – wobei die sekundäre Schleife und die Klimatisierungsschleife gemeinsam einen Zwei-Fluid-Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und dem Wärmeträgerfluid aufweisen und
- – die sekundäre Schleife ferner einen zweiten Wärmetauscher aufweist, der für einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Außenluftstrom angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher als unitäres Wärmeaustauschmodul ausgebildet sind.
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Mit dem multifunktionalen Wärmeaustauschmodul sind eine Verringerung des Platzverbrauchs des Klimatisierungskreislaufs und eine Einsparung bei Masse und Kosten möglich.
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Darüber hinaus kann das Wärmeaustauschmodul an der vorderen Fläche des Fahrzeugs angeordnet sein, so dass es von einem Außenluftstrom durchströmt wird. Alle von dem Wärmeaustauschmodul gewährleisteten Funktionen können somit an die Vorderfläche verlagert werden.
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Der Klimatisierungskreislauf kann ferner eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale, einzeln oder in Kombination, aufweisen:
- – der Zwei-Fluid-Wärmetauscher ist in Kühlfluid- und Wärmeträgerfluidzirkulationsrichtung stromaufwärts des Wärmeaustauschmoduls angeordnet, so dass nach einem Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden jedes Fluid jeweils zum unitären Wärmemaustauschmodul in den entsprechenden Teil des Moduls zum Unterkühlen des Kühlfluids bzw. zum Kühlen des Wärmeträgerfluids zurückströmt,
- – das unitäre Wärmeaustauschmodul eine Kühlfluidspeicherflasche am Ausgang des Zwei-Fluid-Wärmetauschers aufweist, so dass der Platzverbrauch des Klimatisierungskreislaufs weiter verringert werden kann,
- – der Zwei-Fluid-Wärmetauscher ein Kondensator ist, so dass der Klimatisierungskreislauf mit indirekter Kondensation ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die lediglich als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel gegeben ist, und aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 schematisch einen Kraftfahrzeug-Klimatisierungskreislauf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 schematisch einen sogenannten Niedertemperatur-Kühler der Vorrichtung aus 1,
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3 ein Wärmeaustauschmodul des Klimatisierungskreislaufs gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Bei diesen Figuren haben im Wesentlichen identische Elemente die gleichen Bezugszeichen.
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1 zeigt teilweise einen Klimatisierungskreislauf 1 einer Kraftfahrzeug-Heiz-, Belüftungs- und/oder Klimatisierungsanlage, der schematisch und vereinfacht dargestellt ist.
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Mit einem Klimatisierungskreislauf 1 ist es möglich, die Luftparameter innerhalb des Fahrzeug-Fahrgastraums zu verändern, indem ein Luftstrom in den Fahrgastraum eingeleitet wird.
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Zu diesem Zweck kann der Klimatisierungskreislauf 1 einen (nicht gezeigten) Pulsator aufweisen, um den Luftstrom beispielsweise von einer Lufteinlassöffnung zu einer Luftauslassöffnung im Fahrgastraum in Umlauf zu bringen. Er kann insbesondere eine Öffnung zum Enteisen/zur Entfernung von Beschlag aufweisen, die dazu vorgesehen ist, den Luftstrom zur Windschutzscheibe und/oder zu den vorderen Scheiben des Fahrzeugs zu leiten.
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Der Klimatisierungskreislauf 1 kann in einem „Klimatisierungsmodus“ arbeiten, um den für den Fahrgastraum bestimmten Luftstrom abzukühlen.
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Der Klimatisierungskreislauf 1 weist eine Klimatisierungsschleife 3 auf, in der ein Kühlfluid FR zirkuliert, und eine sekundäre Schleife 5, in der ein Wärmeträgerfluid FC, wie etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch zirkuliert.
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In 1 sind der Kreislauf des Kühlfluids FR gestrichelt und der Kreislauf des Wärmeträgerfluids FC in durchgezogenen Linien dargestellt.
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Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform weist die Klimatisierungsschleife 3 Folgendes auf:
- – einen Verdichter 7,
- – einen ersten Wärmetauscher 9,
- – einen Verdampfer 11, der so angeordnet ist, dass er einen für den Fahrzeug-Fahrgastraum bestimmten Luftstrom klimatisiert,
- – mindestens ein Druckminderungsorgan 13, das in Zirkulationsrichtung des Kühlfluids FR stromaufwärts des Verdampfers 11 angeordnet ist.
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Die Klimatisierungsschleife 3 weist ferner zusammen mit der sekundären Schleife 5 einen Zwei-Fluid-Wärmetauscher 15 auf. Es kann eine Speicherflasche 16 vorgesehen sein, mit der es möglich ist, das Kühlfluid FR am Ausgang des Zwei-Fluid-Wärmetauschers zu speichern, so dass die Volumenänderungen des Kühlfluids FR kompensiert werden.
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Die sekundäre Schleife 5 weist ihrerseits einen zweiten Wärmetauscher 17 auf.
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Die sekundäre Schleife 5 kann ferner eine Pumpe 21 für das Zirkulieren des Wärmeträgerfluids FC aufweisen.
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Erfindungsgemäß weist der Klimatisierungskreislauf 1 ein Wärmeaustauschmodul 19 auf, das, wie nachfolgend ausführlich beschrieben ist, den ersten Wärmetauscher 9 der Klimatisierungsschleife 3 und den zweiten Wärmetauscher 17 der sekundären Schleife 5 aufweist.
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Mit anderen Worten sind der erste Wärmetauscher 9 und der zweite Wärmetauscher 17 als unitäres Wärmeaustauschmodul 19 ausgebildet.
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Im Betrieb nimmt der Verdichter 7 am Eingang das Kühlfluid FR auf, das im gasförmigen Zustand und bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur ist, wie in den Figuren über den Leitungen mit der Abkürzung „BP“ schematisch veranschaulicht ist.
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Mit der Verdichtung können der Druck und die Temperatur des Kühlfluids FR erhöht werden, wie in den Figuren über den Leitungen mit der Abkürzung „HP“ schematisch dargestellt ist.
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In einem Klimatisierungsmodus, mit dem der Luftstrom klimatisiert werden kann, der für den zu kühlenden Fahrzeug-Fahrgastraum bestimmt ist, wird das Kühlfluid FR am Ausgang des Verdichters 7 zunächst kondensiert und anschließend unterkühlt, bevor es stromaufwärts des Verdampfers 11 einer Druckminderung ausgesetzt wird. Der für den Fahrgastraum bestimmte Luftstrom, der durch den Verdampfer 11 strömt, wird dann gekühlt.
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Gemäß der beschriebenen Ausführungsform ist der Zwei-Fluid-Tauscher 15 ein Kondensator. Der Zwei-Fluid-Tauscher 15 nimmt das Kühlfluid FR als warmes Gas auf, das Wärme zum Wärmeträgerfluid FC abgibt. Da das Wärmeträgerfluid beispielsweise Wasser ist, spricht man von einem Wasserkondensator oder englisch von einem „water condenser“. Da außerdem die Kondensation am Wärmeträgerfluid erfolgt, wird der Klimatisierungskreislauf 1 als Klimatisierungskreislauf mit indirekter Kondensation bezeichnet.
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Der Zwei-Fluid-Tauscher 15 weist ferner einen ersten Eingang 15 1 für die Aufnahme des verdichteten Kühlfluids am Ausgang des Verdichters 7 und einen zweiten Eingang 15 2 für die Aufnahme des in der sekundären Schleife 5 zirkulierenden Wärmeträgerfluids auf.
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Beim Strömen im Zwei-Fluid-Tauscher 15 im Kondensationsmodus gibt das Kältefluid FR, das im gasförmigen Zustand vorliegt, komprimiert ist, einen hohen Druck HP und eine hohe Temperatur hat, Wärme an das Wärmeträgerfluid FC ab, das in der sekundären Schleife 5 zirkuliert.
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Das Wärmeträgerfluid FC und das Kühlfluid FR treten jeweils aus dem Zwei-Fluid-Tauscher 15 aus, um zum Wärmeaustauschmodul 19 geleitet zu werden.
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Das Wärmeaustauschmodul 19 ist beispielsweise im vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet und wird von einem Außenluftstrom durchströmt.
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Das Wärmeträgerfluid FC tritt über einen Ausgang 15 3 aus dem Zwei-Fluid-Tauscher 15 aus und zirkuliert zum zweiten Wärmetauscher 17. Zu diesem Zweck weist der zweite Wärmetauscher 17 einen Eingang 17 1 für die Aufnahme des erwärmten Wärmeträgerfluids FC, das aus dem Zwei-Fluid-Tauscher 15 stammt, auf.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um einen sogenannten „Niedertemperatur“-Kühler. Das zirkulierende Wärmeträgerfluid FC hat beispielsweise eine Temperatur, die der Temperatur der Umgebungsluft ähnlich ist und bis zu 70°C betragen kann.
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Im Klimatisierungsmodus ist es mit dem Kühler 17 möglich, das aus dem Zwei-Fluid-Tauscher 15 stammende Wärmeträgerfluid durch Wärmeaustausch mit dem Außenluftstrom zu kühlen.
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Mit Bezug auf 2 weist der Kühler 17 ein Wärmeaustauschbündel auf, das beispielsweise mehrere parallele Rohre 23 umfasst, in denen das Wärmeträgerfluid FC zirkuliert. Der Außenluftstrom zirkuliert zwischen den Rohren 23. Es ist möglich, eine Gruppe Rippen 25 vorzusehen, die zueinander parallel und senkrecht zur Richtung der Rohre 23 verlaufen. Die Rippen 25 werden von dem Außenluftstrom durchströmt und ermöglichen eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche. Es kann ein Deckel 27 vorgesehen sein, in den die Enden der Rohre 23 ausmünden.
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Der Kühler 17 weist ferner einen Ausgang 17 2 auf, durch den das gekühlte Wärmeträgerfluid FC aus dem Kühler 17 austritt, um erneut zum Zwei-Fluid-Tauscher 15 geleitet zu werden, indem es gegebenenfalls durch die Pumpe 21 in Umlauf gebracht wird.
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Durch das Kühlen des Wärmeträgerfluids FC kann der Kühler 17 den Zwei-Fluid-Tauscher 15 kühlen.
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Parallel dazu tritt das Kühlfluid FR, das im Zwei-Fluid-Tauscher 15 Wärme an das Wärmeträgerfluid FC abgegeben hat, über einen (nicht gezeigten) Ausgang aus dem Zwei-Fluid-Tauscher 15 aus und wird in der Speicherflasche 16 gespeichert.
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Das Kühlfluid FR zirkuliert anschließend von der Speicherflasche 16 zum ersten Wärmetauscher 9 der Klimatisierungsschleife 3.
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Der erste Tauscher 9 nimmt das Kühlfluid FR am Ausgang des Zwei-Fluid-Tauschers 15, genauer gesagt aus der Flasche 16 auf und weist zu diesem Zweck einen Eingang 9 1 auf.
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Der erste Tauscher 9 weist außerdem einen Ausgang 9 2 auf, durch den das Kühlfluid FR zum Verdampfer 11 geleitet wird.
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Gemäß der beschriebenen Ausführungsform ist der erste Wärmetauscher 9 ein Unterkühlungsstauscher, der üblicherweise als Unterkühler oder engl. als „subcooler“ bezeichnet wird. Der Unterkühlungstauscher 9 unterkühlt das Kühlfluid FR in der Flüssigphase.
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Das Unterkühlen des Kühlfluids erfolgt durch einen Wärmeaustausch mit dem Außenluftstrom.
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Der Unterkühlungstauscher 9 kann mit der gleichen Technik hergestellt werden wie der Kühler, d.h. mit einer Rohrtechnik, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist.
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Somit weist das Wärmeaustauschmodul 19 ein Wärmeaustauschbündel auf, das mehrere parallele Rohre 23 und gegebenenfalls eine Gruppe Rippen 25 umfasst, die zueinander parallel und senkrecht zur Richtung der Rohre 23 verlaufen. Das Wärmeaustauschmodul 19 weist ferner eine innere Trennwand 29 auf, die das Rohrbündel in zwei Zwischen-Wärmeaustauschbündel unterteilt:
- – ein erstes Zwischenbündel aus ersten Rohren 23 für die Zirkulation des Kühlfluids FR und
- – ein zweites Zwischenbündel aus zweiten Rohren 23, in denen das Wärmeträgerfluid FC zirkuliert.
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Die Funktion des ersten Teils des Bündels besteht in der Unterkühlung des Kühlfluids FR, während die Funktion des zweiten Teils des Bündels darin besteht, das Wärmeträgerfluid FC zu kühlen.
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Der Außenluftstrom teilt sich in zwei parallele Ströme, die durch den ersten Teil zum Unterkühlen des Kühlfluids FR bzw. durch den zweiten Teil zum Kühlen des Wärmeträgerfluids FC strömen.
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Das Wärmeaustauschmodul 19 ist an der vorderen Fläche angeordnet. Somit sind sowohl der Kühler 17 zum Kühlen des Wärmeträgerfluids FC als auch der Tauscher 9 zum Unterkühlen des Kühlfluids FR an der vorderen Fläche des Fahrzeugs angeordnet.
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Ein derartiges unitäres Modul 19 ermöglicht im Vergleich zu den Lösungen aus dem Stand der Technik, bei denen zwei Tauscher parallel angeordnet sind, eine Einsparung beim Platzverbrauch und bei der Masse.
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Das gesamte Wärmeaustauschmodul 19 kann gelötet sein.
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Somit werden der Platzverbrauch, die Masse und die Kosten des Klimatisierungskreislaufs 1 verringert.
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Gemäß einer in 3 veranschaulichten Ausführungsvariante kann die Speicherflasche 16 auch an den Unterkühlungswärmetauscher 9 und an den Kühler 17 angebracht und gelötet werden. In diese Fall umfasst das Wärmeaustauschmodul 19 den Unterkühlungswärmetauscher 9, den Kühler 17 und die Speicherflasche 16.
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Wie in 3 dargestellt, wird die Speicherflasche 16 an den ersten Unterkühlungstauscher 9 und an den mit dem ersten Unterkühlungswärmetauscher 9 strömungsverbundenen Kühler 17 angebracht. In diesem Fall weist die Speicherflasche 16 einen Eingang 16 1 für das Kühlfluid FR auf und ist mit dem Unterkühlungstauscher 9 strömungsverbunden, während der Kühler 17 einen separaten Eingang 17 1 für das Wärmeträgerfluid FC aufweist.
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Somit werden der Platzverbrauch, die Masse und die Kosten des Klimatisierungskreislaufs 1 mit einem derartigen Wärmeaustauschmodul 19 gesenkt.
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Wie oben erläutert, wird das aus dem ersten Tauscher 9 austretende Kühlfluid FR zum Verdampfer 11 geleitet.
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Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform ist ein Druckminderungsorgan 13 mit dem Verdampfer 11 in Reihe geschaltet.
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Genauer gesagt ist gemäß der veranschaulichten Ausführungsform das Druckminderungsorgan 13 in Zirkulationsrichtung des Kühlfluids im Klimatisierungsmodus des Klimatisierungskreislaufs 1 stromaufwärts des Verdampfers 11 angeordnet. Somit zirkuliert das Kühlfluid FR nacheinander durch das Druckminderungsorgan 13 und dann durch den Verdampfer 11. Die Druckminderung ermöglicht eine Verringerung des Drucks und der Temperatur des Kühlfluids FR.
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Beim Strömen des Kühlfluids FR durch das Druckminderungsorgan 13 werden der Druck und die Temperatur des Kühlfluids FR gesenkt.
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Was den Verdampfer 11 betrifft, weist dieser einen Eingang 11 1 für die Aufnahme des Kühlfluids FR und einen Ausgang 11 2 für das Kühlfluid FR nach der Verdampfung auf.
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Beim Strömen durch den Verdampfer 11 nimmt das Kühlfluid FR durch Verdampfung die Wärme des durch den Verdampfer 11 strömenden Luftstroms, der für den Fahrgastraum bestimmt ist, durch Verdampfung auf. Auf diese Weise wird der für den Fahrgastraum bestimmte Luftstrom beim Strömen durch den Verdampfer 11 gekühlt.
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Wenn er beispielsweise unter der Wirkung eines (nicht gezeigten) Pulsators den Fahrzeug-Fahrgastraum erreicht, ermöglicht der gekühlte Luftstrom eine Verringerung der Lufttemperatur des Fahrgastraums.
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Das Kühlfluid FR tritt dann über den Ausgang 11 2 aus dem Verdampfer 11 aus und strömt erneut in den Verdichter 7, um einen neuen Kühlzyklus zu beginnen.
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Mit einen derartigen Klimatisierungskreislauf 1 mit einem unitären Austauschmodul 19, das einerseits das Unterkühlen des Kühlfluids FR nach der Kondensation im Zwei-Fluid-Tauscher 15 und andererseits das Kühlen des Wärmeträgerfluids FC ermöglicht, wodurch der Zwei-Fluid-Wärmetauscher 15 gekühlt werden kann, ist eine Einsparung beim Platzverbrauch, bei der Masse und den Kosten möglich.
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Darüber hinaus kann das unitäre Modul 19 in vereinfachter Weise durch Löten angebracht werden.
