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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luftaufbereitungsvorrichtung
für den
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs, bestehend aus einem Wärmeaustauscher,
der von einem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden kann, das von einem Kühlkreislauf
des Motors kommt, und durch den ein Luftstrom hindurchgehen kann,
der in den Fahrgastraum einzuleiten ist.
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Es
sind bereits zahlreiche Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen
die durch den Motor des Fahrzeugs abgegebene Wärmeenergie genutzt wird, um
einen Warmluftstrom zu liefern, der für die Beheizung des Fahrgastraums
verwendet wird. gibt gegenwärtig
zwei Regelungstechniken der Heizfunktion, um die Temperatur der
in den Fahrgastraum einzuleitenden Luft zu regeln.
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Eine
erste Regelungstechnik der Heizfunktion besteht darin, in einem
regelbaren Verhältnis
einen aus dem Wärmeaustauscher
kommenden Warmluftstrom mit einem Kaltluftstrom zu mischen, der
außerhalb
des Fahrgastraums aufgenommen oder aus dem Fahrgastraum rückgeführt wird.
Diese Luftmischtechnik erfordert eine Mischkammer mit großem Platzbedarf
und eine Mischklappe, deren Entwicklung für jedes neue Fahrzeug sehr
langwierig ist.
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Durch
diese beiden Nachteile wird die jede Standardisierung der Heizvorrichtung
beträchtlich
erschwert.
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Bei
einer zweiten Regelungstechnik der Heizfunktion kommt einfaches
oder thermostatisches Ventil zum Einsatz, das den Durchsatz des
durch den Wärmeaustauscher
strömenden
Wärmeträgermediums
(im allgemeinen Wasser mit Zusatz eines Frostschutzmittels) regelt.
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Für diese
zweite Regelungstechnik ist eine Einrichtung mit einem weniger großen Platzbedarf erforderlich
als für
die erste Regelungstechnik, wobei sich jedoch zwei größere Probleme
ergeben. Das erste Problem besteht in der Schwierigkeit, die Temperaturprogressivität des in
den Fahrgastraum eingeleiteten Luftstroms zu regeln, woraus sich
regelungstechnische Probleme ergeben. Das zweite Problem bezieht
sich auf die Inhomogenität
der Temperaturen des in den Fahrgastraum eingeleiteten Luftstroms, wenn
der Durchsatz des durch den Wärmeaustauscher
strömenden
Wärmeträgermediums
sehr gering ist.
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Außerdem sind
diese beiden Regelungstechniken gegenüber dem Durchsatz des Wärmeträgermediums
im Kühlkreislauf
empfindlich, d von der Motordrehzahl und von der Öffnungsstellung
des Thermostatventils abhängig
ist.
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Ein
anderer Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen besteht darin, dass
sie nur eine Heizfunktion übernehmen.
Wenn das Fahrzeug mit einer Klimatisierungsfunktion für die Einleitung
Kaltluft oder klimatisierter Luft in den Fahrgastraum ausgestattet werden
soll, muss außerdem
eine gesonderte Klimaanlage vorgesehen werden, die im wesentlichen
aus einem Verdichter, einem Kondensator, einem Druckminderventil
und einem Verdampfer besteht, die von einem Kältemittel durchströmt werden.
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Dabei
ist dieser als Flächenkühler fungierende
Verdampfer neben dem vorgenannten Wärmeaustauscher, der als Heizradiator
dient, in ein und derselben Leitung anzuordnen, durch die der in
den Fahrgastraum einzuleitende Luftstrom strömen kann.
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Der
Hauptnachteil, der sich daraus ergibt, besteht in dem Platzbedarf,
der durch das gleichzeitige Vorhandensein des Heizradiators und
des Verdampfers in der Luftaufbereitungsvorrichtung entsteht. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass mehrere Regelklappen vorgesehen
werden müssen,
deren Entwicklung langwierig und schwierig auszuführen ist.
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Darüber hinaus
sind die Temperaturen der aus dem Verdampfer austretenden Luft uneinheitlich verteilt.
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Desweiteren
ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei der Abgleichung des Verdampfers,
der den Wärmeaustausch
zwischen dem Kältemittel
und der Luft übernimmt,
um einen langwierigen u schwierigen Vorgang handelt.
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DE 29 46 383 C2 offenbart
eine Luftaufbereitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher
der Wärmeaustauscher
in einem von dem Wärmeträgermedium
durchströmten
Umwälzkreislauf
eingebaut ist und bei welcher dieser Umwälzkreislauf an den Kühlkreislauf über ein
Verteilerventil angeschlossen ist, das in einem regelbaren Verhältnis das
aus dem Wärmeaustauscher
kommende und im Umwälzkreislauf
zirkulierende Wärmeträgermedium
mit vom Motor kommenden und im Kühlkreislauf zirkulierenden
Wärmeträgermedium
mischen kann.
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Nachteilig
bei dieser Laufaufbereitungsvorrichtung ist die aufwendige und damit
teure und fehleranfällige
Ausgestaltung des Verteilerventils.
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Der
Zweck der Erfindung besteht vor allem darin, die vorgenannten Nachteile
zu beseitigen.
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Dazu
schlägt
die Erfindung eine Luftaufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruches 1 vor.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
auf diese Weise die Beheizung des Fahrgastraums unter vollständiger oder
teilweiser Nutzung des Durchsatzes des Wärmeträgermediums, das vom Auslass
des Wärmeaustauschers
kommt und eine niedrigere Temperatur als am Einlass aufweist. Dieser
Durchsatz des durch den Umwälzkreislauf strömenden Wärmeträgermediums
wird in einem regelbaren Verhältnis
mit dem aus dem Kühlkreislauf des
Motors kommenden warmen Wärmeträgermedium
gemischt, wodurch die Temperatur des in den Wärmeaustauscher einströmenden Wärmeträgermediums
und von daher die in den Fahrgastraum eingeleitete Wärmeleistung
kontrolliert werden kann.
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Der
Betrieb der Vorrichtung erfolgt mit konstantem Durchsatz, der vom
Durchsatz des Wärmeträgermediums
im Kühlkreislauf
des Motors nahezu unabhängig
ist.
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Daraus
ergeben sich die folgenden Hauptvorteile:
- – Platzeinsparung
aufgrund des Wegfalls der Mischkammer;
- – Einsparung
an Entwicklungszeit im Verhältnis zur
Luftmischklappe;
- – große Temperaturstabilität des in
den Fahrgastraum eingeleiteten Luftstroms aufgrund des konstanten
Durchsatzes und der Unabhängigkeit
gegenüber
dem Durchsatz des Kühlkreislaufs
und
- – gute
Regulierbarkeit aufgrund einer nahezu linearen Progressivität, die durch
das Verteilerventil herbeigeführt
wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Verteilerventil eine
als "Umwälzposition" bezeichnete Endstellung
einnehmen, in welcher der Umwälzkreislauf
vollständig
vom Kühlkreislauf
getrennt ist, und eine als "Direktrücklaufposition" bezeichnete Endstellung,
in welcher der Umwälzkreislauf
direkt mit dem Kühlkreislauf
verbunden ist, sowie jede Zwischenposition zwischen den beiden vorgenannten
Endstellungen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei diesem Verteilerventil um ein
Ventil mit einem ersten Einlass und einem ersten Auslass, die an
den Umwälzkreislauf
angeschlossen sind, sowie mit einem zweiten Einlass und einem zweiten
Auslass, die mit dem Kühlkreislauf
verbunden sind, wobei dieses Ventil ein Steuerorgan umfasst, das
in der Umwälzposition
eine Verbindung zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass
herstellt und das in der Direktrücklaufposition
einerseits den ersten Einlass mit dem zweiten Auslass und andererseits
den zweiten Einlass mit dem ersten Auslass verbindet, wobei es außerdem jede
Zwischenstellung zwischen den beiden vorgenannten Positionen einnehmen
kann.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht dieses Vierwegeventil
aus einem Ventilkörper
mit vier Öffnungen,
wobei sich zwei Öffnungen auf
einer Seite des Ventilkörpers
befinden, um den ersten Einlass und den ersten Auslass zu bilden, während sich
zwei Öffnungen
auf der anderen Seite des Ventilkörpers befinden, um den zweiten
Einlass und den zweiten Auslass zu bilden, wobei die Öffnungen
paarweise fluchtend angeordnet sind, so dass der e Einlass mit dem
zweiten Auslass und der erste Auslass mit dem zweiten Einlass fluchtet,
und wobei das Steuerorgan ein gleitend geführter Schieber ist, der zwei
Durchlassquerschnitte in ausgewählter Form
umfasst, um das als "Umwälzrate" bezeichnete Verhältnis zwischen
dem Durchsatz des rückgeführten Wärmeträgermediums
und dem Durchsatz des Wärmeträgermediums
im Umwälzkreislauf
in Abhängigkeit
von der Position des Schiebers zu verändern.
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Die
Durchlassquerschnitte des Schiebers können insbesondere eine Dreieckform
mit zwei geraden Seiten oder mit zwei hyperbelartigen Seiten aufweisen.
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In
einer anderen Variante handelt es sich bei dem Verteilerventil um
ein Dreiwegeventil mit einem ersten Einlass, der an einen Strang
angeschlossen ist, welcher den Wärmeaustauscher
direkt mit dem Kühlkreislauf
verbindet, mit einem zweiten Einlass, der an den Kühlkreislauf
angeschlossen ist, und mit einem einzigen Auslass, der mit dem Wärmeaustauscher
verbunden ist, sowie mit einem Steuerorgan für die Verteilung der jeweiligen
Durchsätze
des Wärmeträgermediums,
das durch den ersten Einlass und den zweiten Einlass einströmt und durch
den einzigen Auslass ausströmt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Verteilerventil mit
dem Kühlkreislauf über einen
Druckbegrenzer verbunden, so dass konstante Zuleitungsbedingungen
am Einlass des Ventils, unabhängig
von dem jeweiligen Durchsatz im Kühlkreislauf, gewährleistet
werden können
und eine "Umleitungsfunktion" vorgesehen werden
kann.
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In
einer Ausführungsvariante
der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Kältegerät mit einem Verdampfer, der
von einem Kältemittel
durchströmt
und Wärme
mit dem Wärmeträgermedium
austauschen kann, das im Umwälzkreislauf
zirkuliert, um es zu kühlen,
wenn sich das Verteilerventil in einer Umwälzposition befindet, in welcher
der Umwälzkreislauf
vollständig
vom Kühlkreislauf
getrennt ist.
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Diese
Lösung
erweist sich als besonders vorteilhaft, da sie die Möglichkeit
schafft, nur einen einzigen Wärmeaustauscher
in der Leitung zu verwenden, die für die Einführung der Luft in den Fahrgastraum
bestimmt ist.
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Dieser
Wärmeaustauscher
bildet somit einen Radiator, wenn es sich um die Beheizung des Fahrgastraums
handelt, und einen Flächenkühler, wenn der
Fahrgastraum gekühlt
werden soll. In beiden Fällen
wird der Wärmeaustauscher
stets von dem gleichen Wärmeträgermedium
durchströmt.
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Anstelle
seiner Anordnung unter dem Armaturenbrett in der Nähe des Heizradiators
kann der Verdampfer dann an einer anderen Stelle des Fahrzeugs installiert
werden, wo die Probleme im Zusammenhang mit dem Platzbedarf weniger
kritisch sind.
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Statt
eines Wärmeaustauschs
mit Luft nach dem bisherigen Stand der Technik bewirkt der Verdampfer
erfindungsgemäß einen
Wärmeaustausch mit
dem Wärmeträgermedium,
das heißt üblicherweise
mit einer Mischung von Wasser und Glykol.
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Die
erzielten Hauptvorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- – beträchtliche
Platzeinsparung unter dem Armaturenbrett;
- – verkürzte Entwicklungszeit
aufgrund der benutzten Regelungen;
- – gute
Homogenität
der Temperaturen des in den Fahrgastraum eingeleiteten Luftstroms
und
- – verringerte
Pulsatorleistung.
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In
einer ersten Variante wird der Verdampfer direkt am Umwälzkreislauf
installiert, so dass der gesamte Durchsatz des in diesem Kreislauf
zirkulierenden Wärmeträgermediums
durch den Verdampfer strömt.
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In
einer anderen Variante umfasst der Umwälzkreislauf einen Hauptstrang,
an dem der Verdampfer angebracht ist, und einen um den Verdampfer
herum geführten
Abzweigstrang, wobei ein Dreiwege-Verteilerventil vorgesehen ist,
um den Durchsatz des Wärmeträgermediums
zwischen dem Hauptstrang und dem Abzweigstrang des Umwälzkreislaufs
zu verteilen.
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In
der nachstehend als Beispiel angeführten Beschreibung wird auf
die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, auf denen folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einer ersten
Ausführungsform.
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines Vierwegeventils, das Bestandteil der Vorrichtung
von 1 sein kann.
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Die 3 und 4 zeigen
zwei mögliche Gestaltungen
des Schiebers des Ventils von 2.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einer Variante
von 1.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einer zweiten
Ausführungsform
und mit einem Verdampfer.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einer Variante
von 6.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Wärmeaustauscher 10,
der in einem Umwälzkreislauf 12 eingebaut
ist, durch den ein Wärmeträgermedium
strömt,
im allgemeinen Wasser mit Zusatz eines Frostschutzmittels, das aus einem
Kühlkreislauf 14 eines
Motors M, insbesondere eines Verbrennungsmotors, eines Kraftfahrzeugs
kommt.
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Der
Wärmeaustauscher 10 kann
von einem Luftstrom (Pfeile F) durchströmt werden, der in den Fahrgastraum
H des Fahrzeugs einzuleiten ist. Bei dem Luftstrom handelt es sich
entweder um Außenluft,
die außerhalb
des Fahrgastraums aufgenommen wird, oder um aus dem Innern des Fahrgastraums aufgenommene
Umluft. Der Umwälzkreislauf 12 umfasst
zwei Stränge 12a und 12b,
die an den Einlass bzw. an den Auslass des Wärmeaustauschers 10 angeschlossen
sind. An dem Strang 12a ist eine Pumpe 16, beispielsweise
eine Elektropumpe, angebracht, die für einen konstanten Durchsatz
des Wärmeträgermediums
durch den Wärmeaustauscher 10 sorgt. Der
Umwälzkreislauf 12 ist über ein
Verteilerventil 18 in der Ausführung als Vierwegeventil mit
dem Kühlkreislauf 14 verbunden.
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Das
Ventil 18 besitzt einen ersten Einlass 20, der
mit dem Strang 12b verbunden ist, und einen ersten Auslass 22,
der an den Strang 12a angeschlossen ist, sowie einen zweiten
Einlass 24 und einen zweiten Auslass 26, die mit
zwei Leitungen 28 bzw. 30 verbunden sind, welche
wiederum an den Kühlkreislauf 14 angeschlossen
sind. Der Anschluss der Leitungen 28 und 30 an
den Kühlkreislauf 14 erfolgt über einen
Druckbegrenzer 32, dessen Aufgabe darin besteht, konstante
Zuleitungsbedingungen am Einlass 24 des Ventils 18,
unabhängig
von dem jeweiligen Durchsatz des Wärmeträgermediums im Kühlkreislauf 14,
zu gewährleisten.
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Das
Ventil 18 ermöglicht
das in einem regelbaren Verhältnis
erfolgende Mischen des aus dem Wärmeaustauscher 10 kommenden
Wärmeträgermediums,
das im Umwälzkreislauf 12 zirkuliert,
mit dem vom Motor M kommenden Wärmeträgermedium,
das im Kühlkreislauf 14 zirkuliert.
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Auf
diese Weise ermöglicht
das Ventil die Rückführung eines
Teils des aus dem Wärmeaustauscher 10 kommenden
Wärmeträgermediums
zum Einlass der Pumpe 16, die für einen konstanten Durchsatz
im Wärmeaustauscher 10 sorgt.
Je nach der Stellung des Ventils kann der dem Wärmeaustauscher 10 zugeleitete
Durchsatz des Wärmeträgermediums
vollständig
aus dem Umwälzkreislauf 12 oder vollständig aus
dem Kühlkreislauf 14 stammen,
wobei jede Zwischenkombination zwischen diesen beiden Endstellungen
möglich
ist.
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Auf
diese Weise kann die Temperatur des durch den Wärmeaustauscher 10 strömenden Wärmeträgermediums
und folglich die Temperatur des in den Fahrgastraum eingeleiteten
Luftstroms geregelt werden.
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Das
Ventil 18 (2) besteht aus einem Ventilkörper 34,
der mit vier Öffnungen
versehen ist. Zwei dieser Öffnungen
befinden sich auf einer Seite des Ventilkörpers, um den ersten Einlass 20 bzw.
den ersten Auslass 22 zu bilden, während zwei weitere Öffnungen
auf der anderen Seite des Ventilkörpers angeordnet sind, um den
zweiten Einlass 24 bzw. den zweiten Auslass 26 zu
bilden. Diese Öffnungen sind
paarweise fluchtend angeordnet, so dass der erste Einlass 20 mit
dem zweiten Auslass 26 und der erste Auslass 22 mit
dem zweiten Einlass 24 fluchtet.
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Das
Ventil 18 umfasst ein Steuerorgan 36 mit einem
Schieber 38, der gleitend in einem inneren Hohlraum 40 des
Ventilkörpers
gelagert ist und einen Durchlassquerschnitt 42, der durch
den Schieber hindurchgehend ausgebildet ist, sowie einen zweiten, außen an dem
Schieber ausgebildeten Durchlassquerschnitt 44 aufweist.
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Das
Steuerorgan 36 kann eine als "Umwälzposition" bezeichnete erste
Endstellung einnehmen, in der sich der Schieber 38 in der
am weitesten rechts angeordneten Position in 2 befindet.
In dieser Stellung gibt der Schieber nur eine Verbindung zwischen
dem Einlass 20 und dem Auslass 22 frei. Daraus
folgt, dass der Umwälzkreislauf 12 vollständig von
dem Kühlkreislauf 14 getrennt
ist.
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Das
Steuerorgan 36 kann eine andere, in 2 ganz links
befindliche Endstellung einnehmen, in der einerseits eine direkte
Verbindung zwischen dem Einlass 20 und dem Auslass 26 und
andererseits eine direkte Verbindung zwischen dem Einlass 24 und
dem Auslass 22 hergestellt wird. In dieser als "Direktrücklaufposition" bezeichneten Stellung
ist der Umwälzkreislauf 12 direkt
mit dem Kühlkreislauf 14 verbunden.
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Natürlich kann
der Schieber jede Zwischenposition zwischen den beiden vorgenannten
Endstellungen einnehmen, um das Mischungsverhältnis der zwei Wärmeträgerströme zu verändern, di
Umwälzkreislauf 12 bzw.
im Kühlkreislauf 14 zirkulieren.
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So
kann das als "Umwälzrate" bezeichnete Verhältnis zwischen
dem Durchsatz des rückgeführten Wärmeträgermediums
und dem Durchsatz des im Umwälzkreislauf 12 befindlichen
Wärmeträgermediums
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung des Schiebers beliebig verändert werden.
Dieses Verhältnis
kann Werte zwischen 0 und 10 annehmen, wie dies in 2 dargestellt
wird.
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In
der Ausführungsform
von 3 umfasst der Schieber 38 zwei Durchlassquerschnitte 42 und 44 in
der Form von Dreiecken mit geraden Seiten, während diese beiden Durchlassquerschnitte
in der Ausführungsform
von 4 die Form von Dreiecken mit hyperbelartigen Seiten
aufweisen.
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Auf
diese Weise ist das Temperaturverhalten der in den Fahrgastraum
eingeführten
Luft linear in Abhängigkeit
von der Verstellung des Steuerorgans 36.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann die Verwendung eines
Kegelventils anstelle des Schieberventils vorgesehen werden.
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In
der Ausführungsform
von 5 umfasst die Vorrichtung ein Ventil 46 in
der Ausführung
als Dreiwegeventil mit einem ersten Einlass 48, der an einen
Strang (gebildet durch die Verbindung des Strangs 12b und
der Leitung 30) angeschlossen ist, welcher den Wärmeaustauscher 10 direkt
mit dem Kühlkreislauf 14 verbindet.
Außerdem
umfasst das Ventil 46 einen zweiten Einlass 50,
der über
die Leitung 28 mit dem Kühlkreislauf 14 verbunden
ist. Das Ventil 46 besitzt nur einen Auslass 52,
der über
den Strang 12a an den Einlass des Wärmeaustauschers 10 angeschlossen
ist. Das Ventil 46 umfasst ein Steuerorgan 54 für die Verteilung
der Durchsätze
des Wärmeträgermediums,
die durch den Einlass 48 bzw. den Einlass 50 zugeführt werden
und durch den einzigen Auslass 52 ausströmen.
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In 5 umfasst
die Vorrichtung keinen Druckbegrenzer wie in 1.
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Die
in 6 dargestellte Vorrichtung entspricht der Vorrichtung
von 1 und umfasst Mittel für die Zuleitung von klimatisierter
Luft in den Fahrgastraum.
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Dazu
umfasst die Vorrichtung ein Kältegerät 56 einer
an sich bekannten Bauart mit einem Verdichter, einem Kondensator
und einem Druckminderventil (nicht dargestellt) sowie mit einem
Verdampfer 58. Letzterer ist an dem Strang 12a zwischen
der Pumpe 16 und dem Einlass des Wärmeaustauschers 10 eingebaut.
Der Verdampfer 58 kann von einem Kältemittel durchströmt werden
und Wärme
mit dem Wärmeträgermedium
austauschen, das in dem Umwälzkreislauf
zirkuliert, um es abzukühlen,
wenn sich das Ventil 18 in Umwälzposition befindet.
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Demzufolge
kann derselbe Wärmeaustauscher 10 sowohl
als Heizradiator als auch als Flächenkühler der
Klimaanlage dienen.
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In
der Variante von 7 ist der Verdampfer 58 ebenfalls
an dem Strang 12a eingebaut, der einen Hauptstrang bildet,
wobei außerdem
ein um den Verdampfer 58 herum geführter Abzweigstrang 60 vorgesehen
ist. Ein Dreiwege-Verteilerventil 62 ist
vorgesehen, um den Durchsatz des Wärmeträgermediums zwischen dem Hauptstrang 12a (der
durch den Verdampfer 58 hindurchgeht) und dem Abzweigstrang 60 (der
um den Verdampfer 58 herum geführt ist) zu verteilen. Das
Verteilerventil 62 ermöglicht
die Regelung der Temperatur am Einlass des Wärmeaustauschers 10 und
folglich die Kontrolle der dem Fahrgastraum zugeführten thermischen
Kühlleistung.
Außerdem
wird durch den Umstand, dass nur ein Teildurchsatz des Wärmeträgermediums durch
den Verdampfer 58 geleitet wird, eine Temperatur unter
0 DEG C für
die Verdampfung des Kältemittels
ermöglicht.
Die Mischung des Teildurchsatzes des Wärmeträgermediums, der nicht durch
den Verdampf er geströmt
ist, ermöglicht die
Wiederherstellung einer Temperatur über 0 DEG C, um keine Vereisung
am Flächenkühler zu
verursachen.