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Mit Verdichtung arbeitende Kälteanlage zur Kühlung der Luft im Innenraum
eines Kraftfahrzeuges Die Erfindung betrifft eine mit Verdichtung arbeitende Kälteanlage
zur Kühlung der Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeuges mit einem mit veränderlicher
Geschwindigkeit angetriebenen Verdichter, dessen im Kältemittelkreislauf vorgesehener
Kondensator von dem den Kühler der Fahrzeugmaschine durchquerenden Luftstrom beeinflußt
wird.
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Es ist schwierig, derartige für Kraftfahrzeuge bestimmte Kälteanlagen
für eine dem Bedarf angepaßte Leistung auszulegen, weil ihre Kühlleistung von der
veränderlichen Drehzahl der Fahrzeugniaschine abhängt. Gewöhnlich werden die Wärmeaustauscher
und insbesondere die Verdampfer und Kondensatoren so groß ausgeführt, daß sie bei
der Höchstleistung der Anlage, die bei hohen Motorendrehzahlen erreicht wird, unter
günstigen Bedingungen arbeiten. Für Normalleistung sind diese Teile der Kälteanlage
dann überdiinensioniert.
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Eine solche Bauweise ist in zweifacher Hinsicht nachteilig' und zwar
sind einerseits die Herstellungskosten höher als bei Anlagen mit einem mit konstanter
Drehzahl laufenden Verdichter, andererseits beansprucht die Anlage einen zu großen
Anteil des in einem Kraftfahrzeug in der Regel beschränkten Raumes. Schließlich
ist noch unvorteilhaft, daß ein überdimensionierter Kondensator, wenn er vor dem
Motorkühler angeordnet ist, die Kühlluft zu stark erwärmt, bevor sie in den Kühler
eintritt, was dazu führt, daß zur Vermeidung der überhitzung des Kühlwassers auch
die Abmessungen des Kühlers vergrößert werden müssen. Abgesehen von der dadurch
bedingten Erhöhung der Herstellungskosten ist es sehr störend, im Rahmen der Großserienfertigung
von Kraftfahrzeugen einzelne Einheiten mit vergrößerten Kühlern auszurüsten, weil
sie mit Kälteanlagen versehen werden sollen. Besonders hohe Kosten entstehen beim
nachträglichen Einbau der Kälteanlagen, weil hierbei der Normalkühler gegen einen
vergrößerten ausgetauscht werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle diese Mängel zu beseitigen,
insbesondere eine Kälteanlage zu schaffen, die bei beschränktem Raumbedarf eine
ausreichende Kühlleistung auch im Bereich niedriger Motordrehzahlen hat, keinen
größeren Kühler für die Fahrzeugmaschine braucht, trotzdem dieser seine Kühlluft
durch den Kondensator hindurch erhält, und die den Verdichter gegen Ansaugen
im
von Kältemittel in flüssiger Form schützt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe verwendet die Erfindung zwei in der Kältetechnik
bekannte Elemente, nämlich ein in die Eingangsleitung des Verdampfers eingebautes
druckabhängiges Druckminderventil zum C
Konstanthalten von Verdampfungsdruck
und -temperatur und einen zweiten sogenannten Nachverdampfer, der im Gegensatz zu
bekannten Bauarten von Kälteanlagen mit mehreren Verdampfern zur Kühlung des Kondensators
herangezogen wird, wobei noch ein weiterer Fortschritt erzielt wird, der darin besteht,
daß der vor dem Motorkühlp-r angeordnete Kondensator infolge seiner durch den Nachverdampfer
vermittelten Abkühlun g zur Entlastung des Kühlers der Fahrzeugmaschine ausnutzbar
ist.
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Die besprochenen Mängel können nicht dadurch beseitigt werden, daß
ein Nachverdampfer vorgesehen wird, ohne den Kältemittelkreislauf durch Konstanthalten
des Druckes mittels des erwähnten Druckminderventils zu regulieren, wie das bei
bekannten Anlagen dieser Gattung mit vor dem Motorkühler angeordnetem Kondensator
der Fall ist. Hier ist der Verdichter nicht vor der Zerstörung geschützt, die dadurch
eintreten kann, daß Flüssigkeit aus dem Verdampfer in den Verdichter eintritt. Auch
die ebenfalls bekannten Anlagen mit Regelung des Kreislaufes durch das Druckminderventil
ohne Verwendung eines Nachverdampfers leiden unter den gleichen Unvollkommenheiten.
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In Auswertung der Erkenntnis, daß eine mit einem Verdichter variabler
Drehzahl ausgerüstete Kälteanlage mit durch ein Druckminderventil automatisch regelbarem
Kältemittelkreislauf und einem in der
oben erwähnten Art
verwendeten Nachverdampfer bzw. Wärmeaustauscher auch dann zur Kühlung der Luft
im Innenraum eines Kraftfahrzeuges ausreicht, wenn sie nicht auf die Höchstdrehzahl
der Fahrzeugmaschine abgestimmt ist und deshalb wesentlich raums arender ausgebildet
sein kann, besteht die Er-P C findung darin, daß der zur Kühlung der dem Innenraum
des Kraftfahrzeuges zugeführten Luft dienende Verdampfer und der Kondensator für
eine kleinere Höchstleistung ausgelegt sind, als sie der Leistung des mit einer
der Höchstdrehzahl der Fahrzeugmaschine entsprechenden Drehzahl angetriebenen Verdichters
entsprechen würde, und daß in die zum Einlaß des Verdichters führende Ausgangsleitung
des Verdampfers in an sich bekannter Weise ein zusätzlicher mit dem Kondensator
in thermischer Wechselwirkung stehender Wärmeaustauscher eingeschaltet ist, wobei
in der Eingangsleitung des Verdampfers ein druckabhängiges Druckminderventil vorgesehen
ist, welches in dem Verdampfer einen konstanten Verdampfungsdruck und somit eine
konstante Verdampfungstemperatur aufrechterhält.
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Wenn der zweite Verdampfer vor dem Kondensator und letzterer seinerseits
vor dem Kühler eines Motors für den Antrieb des Verdichters angeordnet ist, derart,
daß der zweite Verdampfer, der Kondensator und der Kühler alle drei in dem gleichen,
durch einen von dem Motor angetriebenen Lüfter in Umlauf gesetzten Gasstrom liegen,
wird die Kühlleistung des Motorkühlers verbessert, so daß letzterer kleinere Abmessungen
erhalten kann, mindestens aber nicht größer ausgebildet zu sein braucht-, als es
für die Fahrzeuamaschine erforderlich ist.
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Wenn man bei der Verlegung der Leitungen der Kälteanlage nach der
Erfindung so vorgeht, daß das von dem ersten Verdampfer kommende Rohr wenigstens
auf einem Teil seiner Länge in therinischer Berührung mit dem diesen ersten Verdampfer
mit dem zweiten Verdampfer verbindenden Rohr steht, ergibt sich eine Verbesserung
der Wirkungsweise des ersten oder Hauptverdampfers, die daraus entsteht, daß die
dem Verdampfer zugeführte Flüssigkeit die günstigste Temperatur hat.
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Es empfiehlt sich, den zweiten Verdampfer bei hohen Außentemperaturen
dauernd oder nach Inbetriebnahme der Kälteanlage eine Zeit lang kurzzuschließen,
bis der Hauptverdampfer die ihm bei Dauerbetrieb eigene Temperatur erreicht hat.
Die hierfür erforderlichen Schaltvorgänge können automatisch erfolgen. Zu diesem
Zweck weist die Kälteanlage gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Abzweigung
zum Kurzschließen des zweiten Verdampfers auf, wobei das Kurzschließen dieses Verdampfers
durch ein thermostatisch gesteuertes elektromagnetisches Ventil gesteuert werden
kann, dessen Thermostat hinter dem Hauptverdampfer angeordnet ist. Der zweite Verdampfer
kann auch die Form eines Austauschers haben, welcher in einem in der Anlage vorgesehenen
Behälter für das kondensierte Kältemittel angeordnet ist, wobei dieser Flüssigkeitsbehälter
an den Ausgang des Kondensators angeschlossen ist, so daß das aus diesem austretende
gasfönnige und/oder teilweise flüssige Kältemittel in diesem Behälter gekühlt und
vollständig kondensiert wird.
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Obwohl die Erfindung insbesondere für ortsveränderliche Anlagen bestimmt
ist, kann sie auch bei ortsfesten Anlagen angewendet werden, insbesondere bei solchen,
bei welchen die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdichters konstant ist, während
die Kühlbelastung schnell veränderlich ist, wie dies bei einer Anlage mit mehreren
Verdampfern der Fall ist, welche wahlweise von dem Kältemittelkreislauf abgeschaltet
werden können. In diesem Fall treten die oben erwähnten Nachteile der bekannten
Anlagen ebenfalls auf, da sich die Kühlbelastung schnell ändert.
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Die hauptsächlichsten Vorzüge der Anlage nach der Erfindung gegenüber
den bekannten Anlagen der gleichen Gattung können folgendermaßen zusammengefaßt
werden: 1. Die Austauscher, Verdampfer und Kondensatoren sind kleiner,
d. h. weniger sperrig und billiger; 2. der Energieverbrauch des Verdichters
ist geringer, wenn dieser mit hoher Drehzahl angetrieben wird; 3. bei der
Benutzung der Anlage auf einem Fahrzeug wird der Kühler desselben weniger überlastet,
so daß in Massenfertigung hergestellte Kühler benutzt werden können; 4. das Arbeiten
der gesamten Anlage, insbesondere des Verdampfers, ist gleichmäßiger, und es besteht
keine Gefahr mehr, daß der Verdampfer durch Eis verstopft wird, da die Gefahr einer
Eisbildung ausgeschlossen werden kann.
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C
Erfindungsgemäß arbeitet die Anlage mit einer Verdichtung
und weist wenigstens zwei getrennte, in Reihe geschaltete Verdampfer auf, von denen
der erste zur Nutzkühlung dient, während der zweite in therinischer Beziehung mit
dem Kondensationskreis steht, wobei die Kapazität des zweiten Verdampfers ferner
so gewählt ist, daß aus ihm nicht unverdampftes Kältemittel austreten und in flüssiger
Form zu dem Einlaß des Verdichters gelangen kann, ganz gleich, welche Leistung von
diesem entwickelt wird.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung im Zusammenhang mit den Ansprüchen und der
Zeichnung.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsforrn der erfindungsgemäßen
Anlage; F i g. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie F i g. 1
eine andere
Ausführungsform; F i g. 3 zeigt schaubildlich unter teilweiser Wegbrechung
von Teilen ein mit einer der schematischen Darstellung der F i g. 2 entsprechenden
Anlage versehenes Kraftfahrzeug; F i g. 4 ist ein Schaltbild der verschiedenen
elektrischen Teile der Anlage.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsforin der Kälteanlage
ist angenommen, daß diese in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, um in den Passagierraum
desselben einzuführende Luft zu kühlen.
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1 ist der Motor des Fahrzeuges, welches normalerweise durch
eine in einem Kühler 2 strömende Flüssigkeit gekühlt wird, durch welchen Luft durch
einen von dem Motor angetriebenen Lüfter 3 gesaugt wird.
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Der Motor 1 treibt ferner z. B. über Treibriemen 4 und eine
elektromagnetische Kupplung 16 einen Verdichter 5 an, welcher ein
als Kältemittel benutztes Gas verdichtet, z. B. das unter dem Namen Freon bekannte.
Dieses Gas wird durch eine Leitung 6 in einen Kondensator 7 geleitet,
welcher z. B. unmittelbar vor dem Kühler 2 angeordnet ist, damit er durch
die
von dem Lüfter 3 angesaugte Luft gekühlt wird sowie durch die Luft, welche
normalerweise durch den Kühler strömt, wenn das Fahrzeug fährt.
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Das aus dem Kondensator 7 kommende Kondensat wird anschließend
in einen Behälter 8 geführt, welcher durch eine Leitung 9 mit einem
druckabhängigen Druckminderer 10 verbunden ist, welcher unmittelbar vor einem
Verdampfer 11 angeordnet ist, welcher in dem Passagierraum des Fahrzeugs
oder in einem Gehäuse angeordnet ist, welches unter der Haube des Fahrzeugs angeordnet
ist und auch einen von einem Elektromotor 13 angetriebenen Lüfter 12 enthält.
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Der Verdampfer 11 ist zweckmäßig so berechnet, obwohl dies
nicht immer erforderlich ist, daß er in seinem ganzen Strömungskreis Flüssigkeit
enthält, damit die von ihm entwickelte Kühlleistung am größten ist, wenn der Motor
1 und somit der Verdichter 5 mit geringer Drehzahl laufen, z. B. etwa
mit der Langsamlaufdrehzahl des Motors.
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Die an den Ausgang des Verdampfers, 11 angeschlossene Leitung
14 enthält daher Flüssigkeit, und diese Flüssigkeit wird einem zweiten Verdampfer
15
zugeführt, welcher vorzugsweise, wie dargestellt, unmittelbar vor dem Kondensator7
angeordnet ist. In gewissen Fällen, was sogar eine bevorzugte Lösung darstellt,
werden Verdampfer 15 und Kondensator 7
zu einer Einheit vereinigt,
damit der Wärmeaustausch zwischen ihnen möglichst groß ist. Die aus dem Verdampfer
15 austretenden Gase werden anschließend durch eine Leitung 17 zu
dem Einlaß des Verdichters 5 -eführt.
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Die obige Anordnung bietet bereits den erwähnten Vorteil, daß in dem
Verdampfer 11 stets Flüssigkeit vorhanden ist, so daß seine Wirksamkeit am größten
ist. Das Kältemittel kann nämlich in dem Verdampfer mittels eines druckabhängigen
Druckminderers entspannt werden, welcher die Temperatur des entspannten Kältemittels
unabhängig von der Drehzahl des Verdichters konstant hält. Die Entspannungstemperatur,
bei welcher der Ve-rdampfrr arbeitet, kann somit so eingestellt werden, daß sie
wenigstens 0' C
beträgt oder sogar noch höher ist, so daß die Gefahr einer
Vereisung des Verdampfers ausgeschlossen wird und verhindert wird, daß zu kalte
Luft in das Innere des Passagierraums des Fahrzeugs eingeblasen werden kann.
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Die Zustandsänderung erfolgt somit teilweise in dem Verdampfer
11 und setzt sich bis zur vollständigen Verdampfung in dem Verdampfer
15 fort, wodirch der Koridensator 7 gekühlt wird, welcher somit unter
günstigen Bedingungen arbeitet und eine verhältnismäßig geringe Kapazität erhalten
kann.
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Ferner begrenzt diese Vorkühlung des Kondensators 7 die Erwärmung
der aus der Atmosphäre von dem Lüfter 3 angesaugten Luft, so daß die durch
den Kühler 2 strömende Luft nur wenig wärmer ist, als wenn der Verdampfer
15 nicht vorhanden wäre, was sonst dazu führen würde, bei einem mit einer
Luftkälteanlage versehenen Fahrzeug den Kühler 2 erheblich stärker als bei einem
nicht mit einer derartigen Anlage versehenen Fahrzeug zu bemessen.
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Damit der Verdampfer 11 unter den besten Bedingungen arbeitet,
wird die Leitung 9 zur Zufuhr der Flüssigkeit zu dem Druckininderer
10 mit wenigstens einem Abschnitt 9a in thermischer Berührung mit dem aus
dem Verdampfer 11 austretenden Abschnitt 14a der Leitung 14 gebracht, so
daß die dem Verdampfer zugeführte Flüssigkeit die für die gewünschten Betriebsbedingungen
günstigste Temperatur hat.
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Der übrige Teil der Leitung 14 wird von einem Wärmeschutz
18 umgeben, um den Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit oder gegebenenfalls
den in diesem Abschnitt der Leitung strömenden kalten Gasen und der Atmosphäre möglichst
zu verringern, damit der Wärmeaustausch nur an der Stelle des Verdampfers
15 erfolgt, was die stärkste Kühlung des Kondensators 7 und somit
die stärkste Energierückgewirmung ermöglicht.
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Da der Verdampfer 15 einem sehr starken Luftstrom ausgesetzt
ist, wird die Gefahr einer Zufuhr von Flüssigkeit zu dem Verdichter 5 vollständig
vermieden, da die Wärmeaustauschmöglichkeiten dieses Verdampfers mit der Zunahme
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zunehmen, wobei gleichzeitig die Leistung des
Verdichters 5 zunimmt, da ja die Drehzahl desselben unmittelbar an die Drehzahl
des Motors gebunden ist.
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Zur Herstellung einer ständigen Regelung der Anlage sind zwei Thermostaten
19 und 20 am Ausgang des Verdampfers 11 bzw. am Ausgang des Verdampfers
15 angeordnet. Diese beiden Thermostaten sind vorzugsweise in dem gleichen
nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 4 beschriebenen elektrischen Stromkreis
in Reihe geschaltet, welcher die Unterspannungsetzung der Wicklungen der elektromagnetischen
Kupplung 16 steueit, deren Arbeiten und somit das Arbeiten des Verdichters
5 gleichzeitig von der Temperatur am Ausgang des Verdampfers 11 und
von der Temperatur am Ausgang des Verdampfers 15 abhängt.
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Unter gewissen Betriebsbedingungen, z. B. beim Anlassen der Anlage
und wenn die Umgebungstemperatur sehr hoch ist, kann es wünschenswert sein, den
Verdampfer 15 kurzzuschließen. Hierfür kann zweckmäßig, wie gestrichelt dargestellt,
hinter dem Abschnitt 14a der Leitung 14 eine mit einem elektromagnetischen Ventil
21 versehene Abzweigleitung 22 vorgesehen werden. Diese Leitung 22 führt zu dem
Einlaß des Verdichters 5. Das Ventil 21 kann von Hand und/oder selbsttätig
betätigt werden, wobei dann ein Thermostat 23 an dem Rohr 14 a angebracht
wird, um bei einem übermäßigen Absinken der Temperatur in diesem die durch die Leitung
22 gebildete Abzweigung abzuschalten.
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Bei der Ausführung der F i g. 2 und 3 ist der Verdampfer
15 nicht mehr thermisch mit dem Kondensator 7 verbunden, sondern hat
die Form eines Austauschers 15a, welcher innerhalb des hierfür vorgoesehenen Behälters
für das kondensierte Kältemittel 8
angeordnet ist.
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Wie in der Zeichnung dargestellt, ist der Austauscher 15
a so angeordnet, daß er wenigstens teilweise in der Flüssigkeit liegt, welche
in diesem vorzugsweise waagerecht angeordneten Behälter enthalten ist.
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Das durch die Flüssigkeit und die in dem Austauscher 15a strömenden
Gase gebildete kalte Gemisch beschleunigt die Kondensation des aus dein Kondensator
7 austretenden Kältemittels und führt diese zu Ende.
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Am Ausgang des Austauschers 15a wird das Kältemittel wie vorher durch
die Leitung 17 zu dem Einlaß des Verdichters 5 geführt. Der Thermostat
20, welcher in F i g. 1 am Ausgang des zweiten Verdamp-C
fers
15 angeordnet war, wird dann gemäß F i a. 2 an dem zum Einlaß des
Verdichters führenden Rohr 17
angeordnet. Diese Anordnung bietet den Vor-teil,
daß der den Kondensator bildende Austauscher 7 einfacher aus-eführt werden
kann, wodurch der Druckabfall der ihn durchströmenden Luft verringert wird, so daß
die Kühlung des Kühlers 2 unter besseren Bedingungen erfolgt, ohne daß hierdurch
ein Unterschied in dem Arbeiten der Anlage entsteht.
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Wie bereits oben ausgeführt, erfolgt zweckmäßig die Regelung der Anlage
vollautomatisch. Hierfür ist, wie in F i g. 4 dargestellt, ein elektrischer
Stromkreis 24 vorgesehen, welcher die beiden Klemmen einer Stromquelle, z. B. der
Akkumulatorenbatterie 25 des Fahrzeugs, mit den Klemmen der Wicklung 16a
der elektromagnetischen Kupplung 16 verbindet.
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In diesen Stromkreis 24 ist ein handbetätigter Schalter
26 für das Anlassen oder das Abstellen der Anlage eingeschaltet.
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Die Thermostaten 19 und 20 steuern Schalter 19a bzw. 20a, welche
in Reihe in den Stromkreis 24 eingeschaltet sind. Wenn die Anlage arbeitet, sind
diese beiden Schalter geschlossen, so daß der Verdichter angetrieben wird, da ja
die Wicklung 16a der Kupplung gespeist wird.
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Wenn aus irgendeinem Grunde die Temperatur am Ausgang des Hauptverdampfers
11 oder in dem zu dem Einlaß des Verdichters führenden Rohr 17 einen zu niedrigen
Wert erreicht, wird der eine und/oder der andere der Schalter 19
a, 20 a durch die Thermostaten 19 oder 20 geöffnet, wodurch der Speisestromkreis
der Kupplung unterbrochen wird.
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Da der Motor 13 zum Antrieb des Lüfters 12, welcher die Luft
nach ihrem Durchtritt durch den Verdampfer 11 in dem Fahrzeug umwälzt, arbeiten
muß, solange der Hauptschalter 26 geschlossen ist, liegt der Motor
13 im Nebenschluß zu dem Stromkreis 24, damit seine Speisung nicht durch
die Öff-
nung der Schalter 19 a oder 20 a beeinflußt wird.
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Ebenso ist ein zweiter Nebenschluß 27 an dem Stromkreis 24
zur Speisung der Wicklung 21a des elektromagnetischen Ventils 21 vorgesehen, welches
an dem die oben beschriebene Abzweigung bildenden Rohr 22 angebracht ist.
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Der Nebenschluß 27 wird durch einen Schalter 23 a gesteuert,
welcher durch den an dem Rohr 14 a
angebrachten Thermostaten 23 gesteuert
wird. Wenn daher die Anlage seit einer gewissen Zeit nicht gearbeitet hat und in
Betrieb gesetzt wird, wird der Schalter 23a geschlossen, so daß das elektromagnetische
Ventil 21 den Durchtritt durch die durch das Rohr 22 gebildete Abzweigung frei läßt.
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Der größte Teil des aus dem Hauptverdampfer 11
austretenden
Kältemittels wird so unmittelbar zu dem Einlaß des Verdichters 5 zurückgeführt.
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Wenn die Temperatur in dem Verdampfex 11 und somit in dem Rohr
14a einen genügend niedrigen Wert erreicht, wird der Schalter 23 a durch
die Wirkung des Thermostaten 23 geöffnet, so daß das elektromagnetische Ventil
21 das Rohr 22 schließt, so daß das aus dem Hauptverdampfer 11 austretende
Kältemittel vollständig durch das Rohr 14 und den sekundären Verdampfer
15 oder den Austauscher 15a strömen muß.
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Da der Thermostat 23 an dem Rohr 14 a, d. h.
an dem Ausgang des Hauptverdampfers 11 angebracht ist, kann der Nebenschluß
27 nur bei einer übermäßigen Erhöhung der Temperatur in diesem Rohr geschlossen
werden. Diese Temperaturerhöhung kann nur auftreten, wenn die gesamte, dem Verdampfer
11
zugeführte Flüssigkeit in diesem verdampft ist. Die Abzweigung 22 wird
daher nur kurzzeitig während des Anlassens der Anlage benutzt und insbesondere für
den Betrieb mit kleiner Drehzahl, wenn der Verdampfer 11 zur Abfuhr der gesamten
Kühlleistung ausreicht. Diese Abzweigung gestattet dann die Begrenzung des Druckabfalls
der zu dem Verdichter angesaugten Gase, wodurch deren übermäßige Erwärmung begrenzt
wird.