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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Klimaanlage
und insbesondere auf eine verbesserte Klimaanlage, die zum Betrieb
als eine Wärmepumpe,
um einen eingeschlossenen Raum aufzuwärmen, fähig ist.
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Es
ist bekannt, Klimaanlagen zu verwenden, die einen Dampfkompressionskältekreislauf
benutzen, um einen eingeschlossenen Raum auf eine Temperatur unterhalb
der Temperatur der umgebenden Luft abzukühlen. Derartige Anlagen finden
insbesondere Anwendung in Fahrzeugen, wobei die Kraft, die von der
treibenden Kraftquelle des Fahrzeugs erzeugt wird, entweder direkt
oder indirekt verwendet wird, um einen Kompressor eines Dampfkompressionskältekreislaufs
anzutreiben. Eine typische Klimaanlage beinhaltet einen Kompressor,
einen Kondensator/Gaskühler
stromab des Kompressors zum Kondensieren und/oder Abkühlen des
Kältemittels
durch den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft, ein Expansionsventil zum Expandieren des Kältemittels stromab
des Kondensators/Gaskühlers,
einen Wärmeaustauscher
oder Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels durch den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft, wobei die abgekühlte Luft stromab des Wärmeaustauschers
in den Raum abgeführt wird,
um abgekühlt
zu werden, wobei das Kältemittel aus
dem Wärmeaustauscher über einen
Akkumulator oder einen Vorratsbehälter zu dem Kompressor zurückgeführt wird.
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Kohlendioxidkältemittel
wird zur Verwendung in der Automobilindustrie zur Klimatisierung
sowie bei anderen Applikationen als Ersatzkältemittel in Erwägung gezogen,
hauptsächlich
wegen der geringen Toxizität
eines solchen Kältemittels.
Anlagen auf der Basis von Kohlendioxid weisen jedoch zahlreiche Herausforderungen
auf, die sich aus der Tatsache ergeben, dass derartige Anlagen in
einem trankritischen Modus betrieben werden, was zu hohem Druck
und hohen Kompressorausgangstemperaturen führt. Weitere Herausforderungen
sind die niedrige kritische Temperatur und die Form der Isotherme um
den kritischen Punkt. Die Leistung des Gaskühlers wird folglich durch die
Temperatur der umgebenden Luft beschränkt.
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Um
die Leistung solcher Kohlendioxidanlagen zu verbessern ist es bekannt,
an dem Ausgang aus dem Gaskühler über zusätzliche
Abkühlung
zu verfügen.
Dies wird auf dem Stand der Technik gewöhnlich durch einen internen
Wärmeaustauscher erzielt,
bei dem kaltes Kältemittel
beim Ausgang aus dem Verdampfer verwendet wird, um das Kältemittel, das
den Gaskühler
verlässt,
weiter abzukühlen.
Eine weitere Alternative ist es, einen weiteren Wärmeaustauscher
stromab des Gaskühlers
bereitzustellen, wobei abgekühlte
Luft von innerhalb des eingeschlossenen Raums, der abgekühlt werden
soll, durch den weiteren Wärmeaustauscher
geführt
wird, um das Kältemittel
weiter abzukühlen,
wobei die Luft anschließend
außerhalb
des Raums, der abgekühlt werden
soll, abgelassen wird.
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Wenn
die Temperatur der umgebenden Luft niedrig ist, ist das Aufwärmen des
eingeschlossenen Raums nötig.
Derartiges Aufwärmen
wird oftmals durch separate Aufwärmmittel
erzielt. Bei Fahrzeuganwendungen, die interne Verbrennungsmotoren
als eine Kraftquelle verwenden, benutzen derartige Heizanlagen Abwärme von
dem Motor des Fahrzeugs, um den Innenraum aufzuwärmen. Bei Elektrofahrzeuganwendungen,
Hochleistungsdieselmotoren und bei häuslichen Klimaanlagen kann
jedoch eine leicht verfügbare
und kostengünstige
Quelle einer zusätzlichen
Heizleistung nicht verfügbar
sein.
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Bei
derartigen Anwendungen ist es bekannt, den Kältekreislauf der Klimaanlage
zu verwenden, um als eine Wärmepumpe
zu arbeiten, wobei die Rollen des Kondensators/Gaskühlers und
des Verdampfers/Wärmeaustauschers
in wirksamer Weise umgekehrt werden, wobei der Wärmeaustauscher in der Hochdruckseite
des Kältemittelzyklus
platziert wird, um durch den Wärmeaustausch
mit eingehender umgebender Luft das Kältemittel zu verdampfen, um den
Raum, der aufgewärmt
werden soll, mit aufgewärmter
Luft zu versorgen. Das wirksame Ändern des
externen Kondensators/Gaskühlers
in einen Verdampfer kann jedoch insbesondere wo die Temperatur der
umgebenden Luft gering ist zu dem Problem der Vereisung des externen
Kondensators/Gaskühlers
führen.
Derartige Probleme sind besonders intensiv, wo Kohlendioxid als
ein Kältemittel
verwendet wird. Die umgebende Luft, die durch den externen Kondensator/Gaskühler geführt wird,
kann auf eine Temperatur unter 0°C
abgekühlt
werden, was die Bildung von Eis in dem externen Kondensator/Gaskühler zur
Folge hat. Das Dokument
EP1462281 ,
das als der nächstliegende
Stand der Technik betrachtet wird, offenbart eine weitere Klimaanlage,
wobei der Kältekreislauf
verwendet werden kann, um als eine Wärmepumpe zu arbeiten. Die Leistungsfähigkeit dieser
Klimaanlage kann jedoch weiter verbessert werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmepumpenanlage
zum Aufwärmen
eines eingeschlossenen Raums bereitgestellt, wobei die Wärmepumpenanlage
einen Kompressor zum Komprimieren eines Kältemittels, einen ersten Wärmeaustauscher,
der umgebende Luft und/oder zumindest zum Teil Umluft zum Abkühlen und/oder
Kondensieren des Kältemittels
benutzt, stromab des Kompressors, wobei die resultierende aufgewärmte umgebende
Luft aus dem ersten Wärmeaustauscher
in den eingeschlossenen Raum abgeführt wird, um dadurch den eingeschlossenen Raum
aufzuwärmen,
zumindest ein Expansionsventil stromab des ersten Wärmeaustauschers
zum Reduzieren des Drucks des Kältemittels
und zumindest einen zweiten Wärmeaustauscher
stromab des zumindest einen Expansionsventils zum Verdampfen des Kältemittels
unter Benutzung von Luft aus dem eingeschlossenen Raum beinhaltet,
wobei solche Luft stromab des zweiten Wärmeaustauschers aus dem eingeschlossenen
Raum abgeführt
wird, wobei das Kältemittel
aus dem zweiten Wärmeaustauscher
zu dem Kompressor zurückgeführt wird,
um den Kältemittelzyklus
zu vollenden.
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Indem
Luft aus dem eingeschlossenen Raum verwendet wird, um die Wärme zu dem
Kältemittel
zu transferieren, wird das Problem der Bildung von Eis innerhalb
des Wärmeaustauschers
vermieden, da die Temperatur der Luft in dem eingeschlossenen Raum
höher ist
als die der umgebenden Luft und somit gut über 0°C bleibt, selbst nachdem sie durch
den Wärmeaustauscher
geführt
wurde.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Klimaanlage zum
selektiven Steuern der Lufttemperatur innerhalb eines eingeschlossenen
Raums bereitgestellt, wobei die Klimaanlage einen Kompressor, einen
Kondensator/Gaskühler,
der umgebende Luft zum Abkühlen/Kondensieren
des Kältemittels
benutzt, zumindest ein Expansionsventil zum Reduzieren des Drucks
des Kältemittels,
einen ersten Wärmeaustauscher
und Mittel zum Führen
von umgebender Luft von außerhalb
des eingeschlossenen Raums und/oder zumindest zum Teil Umluft von
innerhalb des eingeschlossenen Raums durch den ersten Wärmeaustauscher
und zum Abführen
der Luft in den eingeschlossenen Raum, beinhaltet, wobei die Klimaanlage
in einem ersten Zustand als eine Kälteanlage zum Abkühlen des
eingeschlossenen Raums und in einem zweiten Zustand als eine Wärmepumpe
zum Aufwärmen
des eingeschlossenen Raums betriebsfähig ist;
wobei in dem
ersten Zustand das Kältemittel
in dem Kompressor komprimiert wird, in dem Kondensator/Gaskühler durch
den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft abgekühlt
und/oder kondensiert wird, durch das Expansionsventil expandiert
wird und in dem ersten Wärmeaustauscher
durch den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft und/oder Umluft verdampft und/oder aufgewärmt wird,
wobei abgekühlte Luft
aus dem ersten Wärmeaustauscher
in den eingeschlossenen Raum abgeführt wird;
wobei in dem
zweiten Zustand das Kältemittel
in dem Kompressor komprimiert wird und zu dem ersten Wärmeaustauscher
geführt
wird, wobei der Kondensator/Gaskühler
umgangen wird, wobei das Kältemittel
in dem ersten Wärmeaustauscher
durch den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft und/oder Umluft abgekühlt und/oder kondensiert wird,
wobei aufgewärmte
Luft aus dem ersten Wärmeaustauscher
in den eingeschlossenen Raum abgeführt wird, wobei das Kältemittel
anschließend
durch das Expansionsventil expandiert wird und in einem zweiten
Wärmeaustauscher
durch den Wärmeaustausch
mit Luft aus dem eingeschlossenen Raum verdampft und/oder aufgewärmt wird,
wobei abgekühlte
Luft außerhalb
des eingeschlossenen Raums aus dem zweiten Wärmeaustauscher abgeführt wird.
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Bei
einer Ausführungsform
ist ein interner Wärmeaustauscher
bereitgestellt, wobei, wenn sich die Klimaanlage in ihrem ersten
Betriebszustand befindet, das Hochdruckkältemittel stromab des Kondensators/Gaskühlers durch
das Niederdruckkältemittel
stromauf des Kompressors abgekühlt
wird. In dem ersten Betriebszustand kann der zweite Wärmeaustauscher
parallel zu dem ersten Wärmeaustauscher
mit dem Kältekreislauf
verbunden sein, wobei ein weiteres Expansionsventil stromauf des
zweiten Wärmeaustauschers
bereitgestellt ist.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform,
wenn sich die Klimaanlage in ihrem ersten Betriebszustand befindet,
kann das Kältemittel
stromab des Kondensators/Gaskühlers
in dem zweiten Wärmeaustauscher
durch den Wärmeaustausch
mit Luft von innerhalb des eingeschlossenen Raums weiter abgekühlt werden,
wobei die Luft durch den Wärmeaustausch mit
dem Kältemittel
in dem ersten Wärmeaustauscher
auf unterhalb die umgebende Temperatur abgekühlt worden ist, wobei solche
Luft stromab des zweiten Wärmeaustauschers
aus dem eingeschlossenen Raum abgeführt wird.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Klimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zum Abkühlen
oder Aufwärmen
eines eingeschlossenen Raums, wie etwa dem Innenraum eines Fahrzeugs,
ist;
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2 eine
schematische Darstellung der Klimaanlage aus 1 ist, die
ausgeführt
ist, um als eine Wärmepumpe
zum Aufwärmen
des eingeschlossenen Raums betrieben zu werden;
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3 eine
schematische Darstellung der Klimaanlage aus 1 ist, die
zur Verwendung in einem Heißgaszyklus
zum Aufwärmen
des eingeschlossenen Raums ausgeführt ist;
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4 eine
schematische Darstellung einer Klimaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist; und
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5 eine
schematische Darstellung der Klimaanlage aus 4 ist, die
ausgeführt
ist, um als eine Wärmepumpe
zum Aufwärmen
des eingeschlossenen Raums betrieben zu werden.
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1 stellt
eine Klimaanlage gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Steuern der Temperatur von Luft innerhalb
eines eingeschlossenen Raums 25, wie etwa dem Innenraums
eines Fahrzeugs, dar. Die Klimaanlage beinhaltet einen Kompressor 10,
der von einer treibenden Kraftquelle, wie etwa einem Elektromotor,
oder über den
internen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs angetrieben wird, einen
Kondensator oder einen Gaskühler 20,
der sich außerhalb
des eingeschlossenen Raums 25 befindet, zum Benutzen von
umgebender Luft, um das Kältemittel
abzukühlen/zu
kondensieren, einen ersten Wärmeaustauscher 30, der in
oder angrenzend an den eingeschlossenen Raum 25 bereitgestellt
ist (z. B. innerhalb eines Fahrzeuginstrumentenbretts oder eines
Armaturenbretts), der ausgeführt
ist, Luft von außerhalb
des eingeschlossenen Raums 25 und/oder Umluft von innerhalb
des eingeschlossenen Raums aufzunehmen und solche Luft stromab des
ersten Wärmeaustauschers 30 in den
eingeschlossenen Raum 25 abzuführen, einen zweiten Wärmeaustauscher 40,
der in oder angrenzend an den eingeschlossenen Raum 25 angeordnet ist,
der angeordnet ist, um Luft aus dem eingeschlossenen Raum 25 aufzunehmen
und um Luft stromab des zweiten Wärmeaustauschers 40 wieder
in den eingeschlossenen Raum 25 abzuführen, ein erstes Expansionsventil 50,
das zu dem ersten Wärmeaustauscher 30 gehört, ein
zweites Expansionsventil 55, das zu dem zweiten Wärmeaustauscher 40 gehört, wobei
das erste und das zweite Expansionsventil 50, 55 ausgeführt sind,
um den Druck des Kältemittels, das
durch diese führt,
zu reduzieren, und einen Kältemittelakkumulator/-vorratsbehälter 60.
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Um
zu ermöglichen,
dass die Klimaanlage Kohlendioxidkältemittel verwendet und somit
in einem transkritischen Modus mit ausreichender Leistungsfähigkeit
betrieben wird, ist ein interner Wärmeaustauscher 70 bereitgestellt,
um das Hochdruckkältemittel
stromab des Kondensators/Gaskühlers 20 durch
den Wärmeaustausch
mit dem Niederdruckkältemittel
stromauf des Kompressors 10 weiter abzukühlen.
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Der
Betrieb der Klimaanlage wird durch eine Steueranlage gesteuert,
wobei der Anlage ermöglicht wird,
betrieben zu werden, um je nach Bedarf den eingeschlossenen Raum 25 abzukühlen oder
aufzuwärmen,
wie unten detaillierter beschrieben wird.
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Wenn
es nötig
ist, die Luft innerhalb des eingeschlossenen Raums 25 abzukühlen, wird
die Klimasteueranlage betrieben, um die Klimaanlage in einen Kältemodus
zu setzen, wie in 1 gezeigt ist. Die Ventilmittel 80, 90 werden
betrieben, um dem Kältemittel
aus dem Kompressor 10 zu erlauben, in den Kondensator/Gaskühler 20 geführt zu werden, wobei
er als Gaskühler
dient, um das Kältemittel durch
den Wärmeaustausch
mit umgebender Luft, die durch den Kondensator/Gaskühler geführt wird, abzukühlen. Das
Kältemittel
wird dann aus dem Kondensator/Gaskühler 20 in den internen
Wärmeaustauscher 70 geführt, wobei
das Kältemittel
durch den Wärmeaustausch
mit Niederdruckkältemittel
stromauf des Kompressors 10 weiter abgekühlt wird.
Der erste und der zweite Wärmeaustauscher 30, 40 und ihre
dazugehörigen
Expansionsventile 50, 55 werden parallel so verbunden,
dass das Kältemittel
durch die Expansionsventile 50, 55, wobei das
Kältemittel
auf einen niedrigeren Druck expandiert wird, und den ersten und
den zweiten Wärmeaustauscher 30, 40 geführt wird,
wobei das Kältemittel
durch den Wärmeaustausch
mit Luft, die durch jeden des ersten und des zweiten Wärmeaustauschers 30, 40,
geführt wird,
verdampft und/oder aufgewärmt
wird, wodurch solche Luft abgekühlt
wird, bevor die abgekühlte
Luft in den eingeschlossenen Raum 25 geführt wird.
Das Kältemittel
wird dann über
den Akkumulator 60 und den internen Wärmeaustauscher 70 zu
dem Kompressor zurückgeführt.
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Wenn
es nötig
ist, den eingeschlossenen Raum 25 aufzuwärmen, wird
die Klimasteueranlage betrieben, um die Klimaanlage in einen Wärmepumpenmodus,
wie in 2 gezeigt ist, zu setzen, wobei die Ventilmittel 80, 90 verursachen,
dass das Kältemittel
den Kondensator/Gaskühler 20 und
den internen Wärmeaustauscher 70 stromab
des Kompressors 10 umgeht, so dass das Hochdruckkältemittel
in den ersten Wärmeaustauscher
geführt
wird, wobei das Kältemittel
durch den Wärmeaustausch
mit Luft, die durch den ersten Wärmeaustauscher 30 und
in den eingeschlossenen Raum 25 geführt wird, abgekühlt wird,
wodurch das Abführen
von aufgewärmter Luft
in den eingeschlossenen Raum 25 bereitgestellt wird. Das
Kältemittel
wird dann in Reihe durch die Expansionsventile 50 und 55 geführt, wobei
der Druck des Kältemittels
reduziert wird, und das Niederdruckkältemittel wird dann in den
zweiten Wärmeaustauscher 40 geführt, wobei
das Kältemittel
durch den Wärmeaustausch
mit Luft von innerhalb des eingeschlossenen Raums verdampft und/oder
aufgewärmt wird.
Die abgekühlte
Luft wird stromab des zweiten Wärmeaustauschers 40 außerhalb
des eingeschlossenen Raums 25 abgeführt. Das Niederdruckkältemittel
wird dann über
den Akkumulator 60 zu dem Kompressor 10 zurückgeführt, wobei
der Kältemittelzyklus
vollendet wird.
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3 stellt
einen weiteren optionalen Betriebszustand der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Anlage in einer Heißgasschleife
betrieben wird, um den eingeschlossenen Raum aufzuwärmen. In
derartigem Betrieb umgeht das Kältemittel
sowohl den Kondensator/Gaskühler
als auch den ersten Wärmeaustauscher,
um aus dem Kompressor 10 durch das Expansionsventil 55 und
in den zweiten Wärmeaustauscher 40 geführt zu werden.
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In
einem derartigen Betriebsmodus wird die Luft innerhalb des eingeschlossenen
Raums durch den zweiten Wärmeaustauscher 40 geführt, wobei sie
durch den Wärmeaustausch
mit dem Niederdruckkältemittel
aufgewärmt
und in den eingeschlossenen Raum 25 zurückgeführt wird.
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4 stellt
eine Klimaanlage gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Die Klimaanlage ist wiederum zum
Betrieb in dem transkritischen Modus ausgeführt, wobei die Verwendung von
Kohlendioxidkältemittel
erlaubt wird. Bei der zweiten Ausführungsform wird, wenn in einem
Kältemodus
verwendet, um den eingeschlossenen Raum abzukühlen (wie in 4 gezeigt
ist), anstelle der Verwendung eines internen Wärmeaustauschers der zweite
Wärmeaustauscher 40 verwendet,
um das Kältemittel
stromab des Kondensators/Gaskühlers 20 weiter
abzukühlen.
Bei dieser Ausführungsform
wird das Kältemittel
durch den zweiten Wärmeaustauscher 40 stromab
des Kondensators/Gaskühlers 20 geführt, wobei
das Kältemittel durch
den Wärmeaustausch
mit Luft aus dem eingeschlossenen Raum 25 weiter abgekühlt wird,
wobei solche Luft stromab des zweiten Wärmeaustauschers 40 aus
dem eingeschlossenen Raum 25 abgeführt wird. Das Kältemittel
wird dann durch ein Expansionsventil 50 und dann durch
den ersten Wärmeaustauscher 30 geführt, wobei
das Kältemittel durch
den Wärmeaustausch
mit Luft, die durch den ersten Wärmeaustauscher 30 geführt wird,
verdampft und/oder aufgewärmt
wird, wobei die abgekühlte
Luft stromab des ersten Wärmeaustauschers in
den eingeschlossenen Raum 25 abgeführt wird, um den eingeschlossenen
Raum abzukühlen.
Das Kältemittel
tritt dann aus dem ersten Wärmeaustauscher 30 aus
und wird durch einen Akkumulator 50 geführt, bevor es zu dem Kompressor 10 zurückgeführt wird,
um komprimiert und zu der Hochdruckseite des Kältemittelzyklus zurückgeführt zu werden.
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Durch
die Verwendung von Luft, die bei einer Temperatur, die niedriger
als die umgebende Luft außerhalb
des Fahrzeugs ist, aus dem Innenraum des Fahrzeugs gezogen wird,
kann das Kältemittel auf eine
Temperatur unter der abgekühlt
werden, die unter der Verwendung von umgebender Luft allein erzielt
werden kann, ohne die schädlichen
Effekte der Verwendung von Niederdruckkältemittel, um das Hochdruckkältemittel
in einem internen Wärmeaustauscher
abzukühlen,
wie oben beschrieben ist. Dies stellt einen gesteigerten COP-Wert
und reduzierte Kompressorausgangstemperaturen bereit.
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Wenn
es nötig
ist, den eingeschlossenen Raum 25 aufzuwärmen, wird
die Klimasteueranlage betrieben, wobei die Ventilmittel 80, 90 verursachen, dass
das Kältemittel
den Kondensator/Gaskühler 20 umgeht,
wie in 5 gezeigt ist, wobei Hochdruckkältemittel
aus dem Kompressor direkt in den ersten Wärmeaustauscher 30 geführt wird,
wie bei der ersten Ausführungsform,
wobei die Wärme
aus dem Kältemittel
an Luft, die durch den ersten Wärmeaustauscher 30 geführt wird,
transferiert wird, wobei solche aufgewärmte Luft stromab des ersten
Wärmeaustauschers 30 in
den eingeschlossenen Raum 25 abgeführt wird, um den eingeschlossenen
Raum 25 aufzuwärmen.
Das Kältemittel
wird dann durch das Expansionsventil 50 geführt, wobei
der Druck des Kältemittels
reduziert wird, und das resultierende Niederdruckkältemittel
wird dann in den zweiten Wärmeaustauscher 40 geführt, wobei
er in dem Kältemittelzyklus
anstelle des Kondensators/Gaskühlers 20 als ein
Gaskühler
arbeitet, wobei das Kältemittel
durch den Wärmeaustausch
mit Luft von innerhalb des eingeschlossenen Raums 25 aufgewärmt/verdampft wird,
wobei solche Luft stromab des zweiten Wärmeaustauschers 40 aus
dem eingeschlossenen Raum abgeführt
wird.
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Bei
Verwendung als seine Wärmepumpe
ist die Lufttemperatur innerhalb des Innenraums höher als
die umgebende Temperatur. Indem der zweite Wärmeaustauscher 40 anstelle
des Kondensators/Gaskühlers
(20) als ein Gaskühler
verwendet wird, um das Gas abzukühlen,
wird das Problem der Bildung von Eis in dem Kondensator/Gaskühler vermieden,
da der zweite Wärmeaustauscher
Luft von innerhalb des eingeschlossenen Raums 25 bei einer Temperatur
aufnimmt, die höher
als die der umgebenden Luft ist.
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Während die
vorliegende Erfindung insbesondere für die Anwendung bei einer Klimaanlage
für ein
Kraftfahrzeug ist, ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung
gleichermaßen
auf beliebige Gegebenheiten anwendbar ist, wobei die Lufttemperatur innerhalb
eines geschlossenen Raums gesteuert werden soll, wie etwa in einem
Hotelzimmer oder in anderen häuslichen
Unterkünften
oder bei anderen Formen des Transports, wie etwa einem Luftfahrzeug oder
Schiffen.